Auto-Cicatrização de Redes MT sobre CEI 61850 · automático da rede, após a ocorrência de...
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Auto-Cicatrização de Redes MT sobre CEI 61850 Gonçalo Morgado Lopes Martins de Faria Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Orientador: Prof. Doutor José Luís Costa Pinto de Sá Júri Presidente: Prof. Doutora Maria Eduarda de Sampaio Pinto de Almeida Pedro Orientador: Prof. Doutor José Luís Costa Pinto de Sá Vogais: Prof. Doutor José Manuel Dias Ferreira de Jesus Abril de 2014
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Auto-Cicatrização de Redes MT sobre CEI 61850
Gonçalo Morgado Lopes Martins de Faria
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Orientador: Prof. Doutor José Luís Costa Pinto de Sá
Júri
Presidente: Prof. Doutora Maria Eduarda de Sampaio Pinto de Almeida Pedro
Orientador: Prof. Doutor José Luís Costa Pinto de Sá
Vogais: Prof. Doutor José Manuel Dias Ferreira de Jesus
Abril de 2014
ii
Auto-Cicatrização de Redes MT sobre CEI 61850
Gonçalo Morgado Lopes Martins de Faria
iii
Agradecimentos
Ao longo de todo o meu percurso académico fui acompanhado por um número infindável de
pessoas que me apoiaram, educaram e incentivaram. A elas dedico o meu trabalho.
Ao Professor José Luís Costa Pinto de Sá, por me ter propocionado trabalhar num tema
inovador e extremamente motivante, pela infindável transmissão de conhecimento e
experiência e por todo o apoio concedido ao longo deste projecto.
Aos meus pais e à minha família, que me inspiram diariamente a querer ser melhor e a
ultrapassar sempre os meus objectivos. Obrigado pela vossa disponibilidade, apoio
incondicional, afecto e educação.
Aos meus amigos. Eles sabem.
iv
Resumo
Potenciado pela constante evolução das tecnologias de informação e comunicação, o
conceito de redes inteligentes surge como um novo paradigma ao nível das redes de
transmissão e distribuição de eletricidade. Uma das suas áreas fundamentais é a auto-
cicatrização de redes de distribuição, cujo objectivo é a reconfiguração e balanceamento
automático da rede, após a ocorrência de incidentes.
Com a ultrapassagem dos principais entraves tecnológicos, através da normalização das
comunicações (CEI 61850) e das linguagens de automatismos (CEI 61131), surge a
necessidade de criar metodologias que permitam a implementação de um automatismo de
auto-cicatrização seguro e fiável, capaz de operar ao nível da rede.
Numa primeira fase são definidos os requisitos operacionais necessários e o princípio de
funcionamento do automatismo global de auto-cicatrização, com recurso à utilização de
estratégias de identificação de topologias dinâmicas.
A metodologia desenvolvida foi posteriormente transcrita para automatismos definidos sobre
Redes de Petri. Com o objectivo da criação de um mecanismo genérico e não circunscrito a
uma rede específica, os automatismos criados são modulares permitindo a sua adaptação a
diversas topologias e diferentes dimensões da rede de distribuição.
O correto funcionamento dos automatismos foi comprovado através da utilização de
ferramentas matemáticas de análise de Redes de Petri, sendo verificada a sua concordância
com os requisitos definidos.
Por fim, foram tecidas considerações sobre a implementação do automatismo de auto-
cicatrização desenvolvido, tanto ao nível de sistemas e tecnologias de comunicação como ao
nível da programação e implementação de automatismos em linguagens normalizadas, com
o objectivo de demonstrar sua viabilidade.
Palavras Chave
Auto-Cicatrização, CEI 61850, Redes de Petri, Smart Grid, Automação, GOOSE
v
Abstract
Empowered by the evolution of information and telecommunication technologies, the concept
of smart grid emerges as the new paradigm of transmission and distribution power grids. One
of its main concepts is the development of a self-healing grid, enabling the grid to
automatically reconfigure and rebalance after the occurrence of an incident.
After the overcome of the main technological barriers, with the normalization of substation
communications (IEC 61850) and automatism programming languages (IEC 61131), arises
the need to develop methodologies that allow the design of a safe and reliable automatism,
able to deliver self-healing capabilities to the grid.
It was primarily defined the operational requirements and the operating principle of a self-
healing automatism, mainly based on the use of grid dynamic topologies identification
strategies.
The developed methodology was transcribed into an automatism modeled in Petri Nets (PN).
With the purpose of developing a generic mechanism unlinked to a specific network. The
designed automatisms are built in modules enhancing their capabilities to adapt to different
operation topologies and grid dimensions.
The correct execution of the automatisms was then verified using the mathematical tools
available for Petri Net analysis, being confirmed the agreement of its behavior with the
previously established operational requirements.
In order to prove the existence of capable means to implement such an automatism, it was
made some considerations regarding the existent technological means, focusing on both
available communication systems and technologies for power grids and the implementation of
automatisms in normalized programming languages.
Keywords
Self-Healing, IEC 61850, Petri Nets, Smart Grid, Automation, GOOSE
vi
Lista de Conteúdos
Resumo .......................................................................................................... iv
Abstract .......................................................................................................... v
Lista de Figuras .......................................................................................... viii
Lista de Tabelas ............................................................................................ ix
Lista de Acrónimos ........................................................................................ x
1 Introdução ................................................................................................. 1 1.1 Enquadramento ....................................................................................... 1 1.2 Objectivos ................................................................................................ 2 1.3 Organização da Dissertação ................................................................... 3
2 Automatismos e Redes de Petri ............................................................. 4 2.1 Funções de Proteção: Objectivos e Descrição ...................................... 4
2.1.1 Operação de Recurso em DU0 .............................................................. 4 2.1.2 Controlo Corretivo de Proteções (CCP) ................................................. 5
2.2 Introdução às Redes de Petri .................................................................. 7 2.2.1 Estrutura das Redes de Petri ................................................................. 8 2.2.2 Dinâmica das Redes de Petri ................................................................. 9 2.2.3 Redes de Petri Interpretadas ................................................................. 9 2.2.4 Propriedades das Redes de Petri ......................................................... 10
2.3 Automatismos ........................................................................................ 11 2.3.1 Autómato de Transformador ................................................................ 11 2.3.2 Autómato de Barramento ..................................................................... 13 2.3.3 Recurso de Alimentação pelo deslastre de U=0 na MT ........................ 13
3 Princípios Operacionais da Auto-Cicatrização de redes MT .............. 15 3.1 Requisitos Operacionais ....................................................................... 15 3.2 Identificação de Topologias Dinâmicas ............................................... 16
3.2.1 Definição de Conceitos ........................................................................ 17 3.2.2 Operações sobre a rede ...................................................................... 18 3.2.3 Definição e Propagação de Atributos ................................................... 20 3.2.4 Identificação de topologias dinâmicas e Auto-Cicatrização .................. 20
3.3 Princípio de Funcionamento ................................................................. 21 3.3.1 Automatismo de Operação de Recurso (AOR) ..................................... 21 3.3.2 Gestão da Auto-Cicatrização (GAC) .................................................... 21 3.3.3 Resolução de Conflitos ........................................................................ 23 3.3.4 Exemplo de Aplicação .......................................................................... 23
4 Especificação dos automatismos por Redes de Petri ........................ 29 4.1 Autómatos Modeladores ....................................................................... 30 4.2 Automatismo de Operação de Recurso (AOR) .................................... 32
4.2.1 Descrição do Automatismo .................................................................. 32 4.2.2 Interpretação da Rede de Petri ............................................................ 32 4.2.3 Resolução de Conflitos ........................................................................ 36
4.3 Automatismo de Gestão da Auto-Cicatrização (GAC) ......................... 37 4.3.1 Descrição do Automatismo .................................................................. 37 4.3.2 Interpretação da Rede de Petri ............................................................ 37
4.4 Automatismo Completo da Auto-Cicatrização..................................... 43 4.4.1 Integração entre GAC e AORs ............................................................. 44 4.4.2 Integração dos autómatos modeladores .............................................. 45 4.4.3 Análise Estrutural das Redes de Petri .................................................. 45
vii
5 Considerações sobre a implementação ............................................... 50 5.1 Implementação Normalizada ................................................................. 50
5.1.1 CEI 61131 ............................................................................................ 50 5.1.2 CEI 61850 ............................................................................................ 51
5.2 Arquitetura do Sistema.......................................................................... 52 5.2.1 CEI 61850: Comunicações entre Subestações .................................... 53 5.2.2 Conversão de Redes de Petri .............................................................. 56 5.2.3 Controlador Lógico ............................................................................... 57
5.3 Tecnologias e Infra estruturas de Comunicação ................................. 57 5.3.1 Fibras Ópticas ...................................................................................... 58 5.3.2 BPLC (Broadband Power Line Carrier) ................................................ 58 5.3.3 Tecnologias Móveis (GPRS/UMTS/HSPA/LTE) ................................... 58 5.3.4 WiMAX / WiGRID ................................................................................. 59
5.4 Sistemas de Comunicações: Considerações Finais ........................... 61
6 Conclusões e Trabalhos Futuros.......................................................... 63 6.1 Conclusões ............................................................................................ 63 6.2 Trabalhos Futuros ................................................................................. 64
Referências Bibliográficas .......................................................................... 65
Anexo A – Propriedades das Redes de Petri............................................. 67 A.1 Propriedades Dinâmicas das Redes de Petri ............................................ 67 A.2 Propriedades Estruturais das Redes de Petri ........................................... 69
Anexo B – RdP detalhadas de automatismos e autómatos ..................... 71 B.1 Autómato Modelador do Transformador ................................................... 71 B.2 Autómato Modelador do Barramento ........................................................ 72 B.3 Automatismo de Operação de Recurso .................................................... 73 B.4 Módulo de Ligação do Transformador ...................................................... 77
Anexo C – Análise Estrutural das Redes de Petri ..................................... 79 C.1 Análise Estrutural do AOR ......................................................................... 79 C.2 Análise Estrutural do GAC ......................................................................... 81 C.3 Análise Estrutural do Automatismo de Auto-Cicatrização ...................... 83
viii
Lista de Figuras
Figura 2.1- Exemplo da representação gráfica de uma Rede de Petri ..................................... 8 Figura 2.2 - Exemplo de conflitos: Escolha livre (t1 ou t2) e escolha imposta (t4) ................. 11 Figura 2.3 - RdP abstraída do autómato do transformador..................................................... 12 Figura 2.4 - RdP abstraída do autómato do barramento ......................................................... 13 Figura 2.5 – RdP abstraída do recurso MT de uma barra isolada .......................................... 14 Figura 2.6 - RdP abstraída do recurso MT com barras acopuladas ....................................... 14 Figura 3.1 – Identificação dos CNs (1 a 9) no diagrama unifilar da rede. ............................... 17 Figura 3.2 – Identificação dos CPs (1 a 3) no diagrama unifilar da rede ................................ 18 Figura 3.3 - Identificação dos CPs após o fecho do disjuntor entre CN1 e CN2 .................... 19 Figura 3.4 – Identificação dos CPs após o fecho do disjuntor entre CN2 e CN3 ................... 19 Figura 3.5 - Fluxograma de funcionamento do automatismo de Auto-Cicatrização ............... 22 Figura 3.6 - Fluxo de informação entre GAC e AOR(s) .......................................................... 23 Figura 3.7 – Esquema unifilar da rede tipo do exemplo de aplicação .................................... 24 Figura 3.8 – Topologia normal de exploração da rede tipo ..................................................... 24 Figura 3.9 – (I) Topologia da rede tipo após defeito e isolamento do barramento CN20 ....... 25 Figura 3.10 – (I) Topologia da rede após a ação do automatismo de Auto-Cicatrização ....... 26 Figura 3.11 – (II) Topologia após o defeito interno e isolamento do transformador TR2 ....... 27 Figura 3.12 – (II) Topologia final após o fim da ação do automatismo de auto-cicatrização .. 27 Figura 4.1 – Ambiente de desenvolvimento do TINA 3.1.0 do LAAS-CNRS .......................... 30 Figura 4.2 – Rede de Petri interpretada do autómato de Linha .............................................. 30 Figura 4.3 - Rede de Petri interpretada do automatismo AOR (genérico) .............................. 33 Figura 4.4 – Rede de Petri interpretada do Controlo de CP (GAC) ........................................ 39 Figura 4.5 – Rede de Petri interpretada da Decisão de Realimentação (GAC)...................... 40 Figura 4.6 – Rede de Petri interpretada da Gestão da Auto-Cicatrização (GAC) .................. 42 Figura 4.7 – Interação entre o GAC (módulo CP1) e o AOR (RdP simplificada) .................... 44 Figura 5.1 – Linguagens da Norma CEI 61131-3 (adaptado de [3]) ....................................... 51 Figura 5.2 - Modelo OSI da CEI 61850 (extraído de [7])......................................................... 51 Figura 5.3 – Arquitetura: Automação e fluxo de informação ................................................... 52 Figura 5.4 - Arquitetura simplificada do sistema de informação ............................................. 56 Figura 5.5 – Comparação de Tecnologias de Comunicação (extraído de [24]) ..................... 62
Figura B.1 - Autómato completo, modelador do transformador (adaptado de [1]) ................. 71 Figura B.2 - Autómato completo, modelador do barramento MT (adaptado de [1]) ............... 72 Figura B.3 - Automatismo Op. de Recurso partindo de barra isolada (adaptado de [1]) ........ 74 Figura B.4 - Automatismo Op. de Recurso partindo de barras acopuladas (adaptado de [1]) 74 Figura B.5 - Módulo de Ligação do Transformador ................................................................. 77
Figura C.1 - Topologia utilizada para análise estrutural do AOR ............................................ 79 Figura C.2 - RdP do AOR do CN1, utilizada para a análise estrutural ................................... 80 Figura C.3 – Análise estrutural do automatismo de Auto-Cicatrização: Topologia ................. 83 Figura C.4 - Automatismo de Auto-Cicatrização de Redes MT (parte 1 de 2)........................ 86 Figura C.5 - Automatismo de Auto-Cicatrização de Redes MT (parte 2 de 2)........................ 87
ix
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 – Interpretação da RdP do autómato do transformador ........................................ 12 Tabela 2.2 - Interpretação da RdP do autómato do barramento ............................................ 13 Tabela 4.1 - Interpretação da RdP do autómato de linha (Figura 4.2) .................................... 31 Tabela 4.2 –Interpretação da RdP do AOR genérico (Figura 4.3) .......................................... 34 Tabela 4.3 - Predicados associados às transições do AOR ................................................... 35 Tabela 4.4 – Predicados associados à escolha de realimentação pré-definida ..................... 36 Tabela 4.5 – Legendas utilizadas para identificação de lugares e transições ........................ 38 Tabela 4.6 - Interpretação da RdP do Controlo de CP (Figura 4.4) ....................................... 39 Tabela 4.7 - Predicados associados às transições do Controlo de CP .................................. 39 Tabela 4.8 - Interpretação da RdP da Decisão de Realimentação (Figura 4.5) ..................... 41 Tabela 4.9 - Predicados associados às transições da Decisão de Realimentação ................ 41 Tabela 4.10 - Relação entre autómatos modeladores e automatismos .................................. 45 Tabela 4.11 – Invariantes de Transições do AOR .................................................................. 46
Tabela B.1 - Interpretação da RdP do autómato modelador de transformador ...................... 71 Tabela B.2 - Interpretação da RdP do autómato modelador de barramento MT .................... 73 Tabela B.3 - Interpretação da RdP da OR com barra isolada (Fig. B.3) ................................. 75 Tabela B.4 - Interpretação da RdP da OR com barras acopuladas (Fig. B.3) ........................ 76 Tabela B.5 - Interpretação da RdP do módulo de ligação do transformador .......................... 77
Tabela C.1 - Autómatos Modeladores incluídos na análise estrutural do AOR ...................... 79 Tabela C.2 - Propriedades da RdP e Invariantes-P/T ............................................................. 80 Tabela C.3 – Evolução das propriedades dinâmicas do AOR ................................................ 81 Tabela C.4 - Propriedades estruturais do GAC ....................................................................... 82 Tabela C.5 – Evolução das propriedades dinâmicas do GAC ................................................ 82 Tabela C.6 - Autómatos e Automatismos incluídos na RdP completa .................................... 83 Tabela C.7 - Propriedades dinâmicas e estruturais da RdP ................................................... 84
x
Lista de Acrónimos
AMI Automatic Meter Infrastructure
AOR Automatismo de Operação de Recurso
AT Alta Tensão
BPLC Broadband Power Line Carrier
BT Baixa Tensão
CCP Controlo Corretivo de Proteções
CEI Comissão Electrotécnica Internacional
CN Connectivity Node
CP Connectivity Part
DEI Dispositivos Electrónico Inteligente
DF Deslastre por Mínimo de Frequência
DU0 Deslastre por Tensão Zero
GAC Automatismo de Gestão da Auto-Cicatrização
GOOSE Generic Object Oriented Substation Event
GRE Generic Routing Encapsulation
IL Instruction List
IP Internet Protocol
LAAS Laboratoire d’Analyse et d’Architecture dês Systèmes
LAN Local Area Network
LD Ladder Logic
MPLS Multi Protocol Label Switching
MT Média Tensão
OR Operação de Recurso
ORD Operador da Rede de Distribuição
OSI Open Systems Interconnection
PLC Programmable Logic Controller
PT Posto de Transformação (MT/BT)
RA Religação Automática
RdP Rede de Petri
SAS Sistema de Automação de Subestação
SCCP Sistemas de Comando Controlo e Proteção
SEE Sistema de Energia Eléctrica
SFC Sequential Function Chart
SoftPLC Software PLC
ST Structured Text
VLAN Virtual Local Area Network
WAN Wide Area Network
1
1 Introdução
1.1 Enquadramento
A crescente evolução das tecnologias de informação e comunicação tem potenciado o rápido
desenvolvimento dos Sistemas de Comando, Controlo e Proteção (SCCP), conduzindo a
uma gestão otimizada das redes de transmissão e distribuição de energia eléctrica, com
acrescida fiabilidade.
Neste contexto surge o conceito de smart grid ou rede inteligente, que retirando partido dos
novos avanços tecnológicos tem como principais objectivos a automatização, optimização,
monitorização e interoperação de diversos processos decorrentes da gestão e exploração do
sistema de energia eléctrica.
Um dos componentes integrantes deste novo conceito é a auto-cicatrização das redes de
energia (self-healing grid), cujo objectivo é a reconfiguração e o balanceamento automático
da rede após a ocorrência de algum defeito ou incidente decorrentes da exploração normal
da rede.
A maioria das falhas de alimentação de cargas ocorre devido a curto-circuitos na rede de
distribuição. A ocorrência de defeitos na rede de transmissão não resulta tipicamente em
falhas (prolongadas) de alimentação de cargas, uma vez que este tipo de redes é explorado
numa configuração malhada com um regime de contingência de pelo menos N-1. Por outro
lado, as redes de distribuição (níveis de tensão entre 10kV e 30kV) são tipicamente
exploradas com uma configuração radial, pelo que a falha de um elemento da rede conduz
necessariamente à interrupção do serviço.
Ainda assim, é normalmente possível a transferência, pelo menos em parte, da carga
alimentada pelo elemento em falha para uma fonte alternativa com capacidade adequada
para fornecer energia aos circuitos sem alimentação, até que seja reparada a avaria do
equipamento.
Este tipo de operação é atualmente efetuada manualmente pelo operador do sistema,
implicando que a reconfiguração da rede seja por vezes morosa com prejuízo do cliente final.
A automatização deste processo conduz assim a uma redução substancial dos tempos de
reposição da carga afectada levando a uma melhoria da qualidade de serviço.
O tema da reconfiguração automática no âmbito de uma subestação encontra-se já estudado
e inclusivamente implementado, sendo disso evidência a especificação de um automatismo
de Operação de Recurso pelo Professor Doutor José Luís Costa Pinto de Sá na sua Tese de
Doutoramento, “Automatismos Comunicantes em Subestações de Distribuição” [1], em 1988.
Também a aplicação do conceito de auto-cicatrização a toda uma rede se encontra em
estudo há quase duas décadas, tendo sido primeiramente formulado no contexto de um
2
projeto conjunto entre o Electric Power Research Institute e o Departamento de Defesa
Norte-Americano em 1998.
No entanto, a implementação deste tipo de sistemas tem sido alvo de diversas dificuldades,
maioritariamente técnicas, nomeadamente ao nível da integração de equipamentos de
diferentes fabricantes, devido à diversidade de linguagens de programação de automatismos
e de protocolos de comunicação, na sua maioria proprietários, bem como as limitações de
velocidade e capacidade de transmissão de dados dos meios de comunicação a longa
distância.
Com a normalização das linguagens de programação de autómatos (CEI 61131) e dos
protocolos de comunicação para subestações (CEI 61850) bem como o constante
desenvolvimento das TIC e de grandes infra estruturas de comunicações móveis e fixas,
encontram-se reunidas as condições necessárias para o desenvolvimento e implementação
de sistemas capazes de efetuar a auto-cicatrização de redes de energia eléctrica.
Atualmente existem múltiplos projetos de desenvolvimento de sistemas capazes de efetuar o
restauro automático da rede, como é o caso do Intelliteam da S&C Electric Company,
encontrando-se a sua maioria em fase de testes e prototipagem, principalmente em micro-
redes ou sistemas em ilha.
Em simultâneo encontram-se também em desenvolvimento e crescente expansão as infra
estruturas de comunicações dedicadas a redes de energia. Nesta área distingue-se a
instalação da rede fixa de fibra óptica nas linhas de transmissão (OPGW – Optical Ground
Wire) bem como o estudo da aplicação de redes móveis (tecnologias comerciais ou
especificas) aos sistemas de energia.
Ao nível das redes móveis, têm sido estudadas e desenvolvidas aplicações das diversas
tecnologias, maioritariamente para aplicação em redes de medição automática de
contadores de energia (AMI – Automatic Meter Infrastructure), existindo já diversos
operadores de distribuição com projetos, ainda em teste, nesta área.
1.2 Objectivos
O principal objectivo deste trabalho é o desenvolvimento de uma metodologia segura e fiável
de reposição automática em serviço de redes de Distribuição de energia em Média Tensão
(MT) utilizando as normas internacionais de comunicação e programação de automatismos.
Para tal, propõe-se numa primeira fase definir o princípio de funcionamento de um sistema
que cumpra o objectivo supramencionado, bem como todos os requisitos e condições
operacionais do mesmo.
Propõe-se de seguida traduzir estes princípios de funcionamento em Redes de Petri, tendo
em vista a especificação de um automatismo de auto-cicatrização de redes MT que possa
ser posteriormente implementado sob uma das linguagens normalizadas de programação
previstas na norma CEI 61131-3. Destaca-se ainda que o presente trabalho não se limita a
3
uma rede de Distribuição específica, pretendendo assim constituir uma metodologia
aplicável, com reduzidas alterações, a qualquer rede MT. É assim importante prestar
especial atenção à versatilidade e adaptabilidade de todo o sistema.
Além disso, pretende-se ainda tecer considerações sobre a implementação do automatismo
desenvolvido, analisando tanto a arquitetura do sistema como as necessidades de infra
estruturas de comunicações. Para tal, é definida uma arquitetura de implementação do
automatismo através da CEI 61131-3. Ao nível dos sistemas de informação, é discutida a
sua implementação sobre a CEI 61850, não sendo no entanto objectivo deste trabalho, a
elaboração de ficheiros descritivos nem a definição de funções específicas.
No final são ainda discutidas as necessidades de comunicações que o sistema acarreta bem
como as tecnologias de comunicações, atualmente existentes ou ainda em testes. É assim
feita uma análise conjunta de infra estruturas de comunicações móveis e fixas, das suas
características e da sua adaptabilidade ou não ao automatismo de auto-cicatrização de redes
MT.
1.3 Organização da Dissertação
O presente trabalho encontra-se dividido em seis capítulos e três anexos, estando
organizado segundo a metodologia de desenvolvimento do projeto, começando por um
enquadramento e introdução dos conceitos utilizados, continuado pela definição dos
princípios de funcionamento e a sua especificação e finalizando nas considerações
específicas da sua implementação.
No Capítulo 2 é efetuada uma abordagem aos automatismos existentes no contexto de uma
subestação, e mais relevantes no enquadramento deste trabalho, sendo ainda feita uma
introdução sumária à especificação de automatismos por Redes de Petri.
No Capítulo 3 são definidos os princípios operacionais de um automatismo de auto-
cicatrização no âmbito de uma rede MT, sendo descrito o princípio de funcionamento global
do sistema bem como a definição de condições e propriedades específicas de um
automatismo desta natureza.
No Capítulo 4 os princípios operacionais definidos anteriormente são traduzidos em
propriedades e automatismos concretos, procedendo-se à especificação do automatismo
global através de Redes de Petri.
No Capítulo 5 são por fim discutidas algumas hipóteses de implementação e tecidas
considerações ao nível da implementação física no cômputo de um projeto de automação
como ao nível da adequabilidade das tecnologias de comunicação atualmente existentes e
previstas no SEE. As hipóteses colocadas têm sempre como base a interoperabilidade de
sistemas e a normalização dos mesmos, tanto ao nível da automação (CEI 61131) como ao
nível das comunicações (CEI 61850).
4
2 Automatismos e Redes de Petri
2.1 Funções de Proteção: Objectivos e Descrição
As funções de automatismos dentro de uma subestação são diversas. Apresentam-se nesta
descrição as principais funções existentes, sendo detalhadas as funções mais ligadas ao
objectivo deste trabalho, nomeadamente ao nível da gestão de barras e transformadores:
Controlo Corretivo de Proteções e Operação de Recurso. Pelas suas características estas
funções contêm semelhanças com as operações necessárias para uma reposição
automática ao nível de uma rede MT.
Deslastre / Reposição por mínimo de Tensão (DU0): Esta função responde à falta
de alimentação numa barra da subestação, correspondendo inicialmente ao
deslastre de todas as saídas dependentes dessa barra e posteriormente à reposição
em serviço das mesmas, de forma gradual após a normalização da alimentação da
barra.
Operação de Recurso: Associada à função anterior, o recurso corresponde a uma
reconfiguração topológica da subestação de modo a permitir a realimentação da
barra com “Tensão Zero” por uma fonte alternativa disponível, seja ela uma barra
vizinha, um transformador ou ainda uma subestação vizinha.
Deslastre / Reposição por mínimo de frequência: A função atua sobre as saídas
MT de cada subestação, provocando o seu deslastre ou reposição, respondendo a
uma queda de frequência geralmente devido ao desequilíbrio entre as potências
gerada e consumida.
Controlo Corretivo de Proteções (CCP): Esta função visa colmatar as limitações
de uma filosofia de proteções nos casos de topologia de paralelo de
transformadores, defeitos em barramentos MT ou defeitos quase-simultâneos.
2.1.1 Operação de Recurso em DU0
A operação de recurso consiste na realimentação de uma barra MT a partir de uma fonte
alternativa em boas condições. Esta fonte pode ser um transformador, uma barra vizinha
com alimentação, por meio da ligação do disjuntor de interligação de barras ou ainda uma
outra subestação através da ligação dos disjuntores de uma linha de interligação entre
subestações.
A operação de recurso implica deste modo a alteração topológica de exploração da
subestação ou ainda, em última análise a alteração da topologia de exploração da rede.
Para que a operação de recurso se efetue, é necessário a verificação das seguintes
condições:
Condição 2.1: A barra a realimentar estar sã, não possuindo defeito de isolamento.
5
Condição 2.2: As fontes recorridas encontrarem-se igualmente sãs e em condições de
alimentarem a referida barra.
Condição 2.3: O isolamento da barra em questão ter sido provocado por uma causa que
não uma manobra voluntária por parte do operador.
A satisfação da terceira condição implica que qualquer desligação de origem não identificada
como proveniente de um automatismo ou do disparo de uma proteção deve ser considerada
como uma possível manobra voluntária por parte de um operador.
As condições 1 e 2 são satisfeitas pelas seguintes condições:
Condições para que uma barra seja considerada religável:
A barra ter sido isolada pelo disparo dos disjuntores do transformador de
alimentação devido à atuação do relé de mínimo de tensão ou deslastre por tensão
zero na AT, ou ainda pelas proteções contra defeitos internos do transformador. Em
caso de disparo voluntário dos disjuntores do transformador e interbarras, a barra só
deverá ser considerada religável caso seja ressalvada como sã pelo Controlo
Corretivo de Proteções ou pela subfunção de Pesquisa de Barras Defeituosas.
Condições para que um transformador seja considerado religável:
O transformador foi isolado pelos disjuntores de alimentação da barra que este ali-
menta pela função Pesquisa de Barra Defeituosa, a qual não ressalvou a religabili-
dade da barra (defeito ocorreu na barra).
O transformador foi isolado pela proteção contra defeitos externos e o CCP não
ressalvou a religabilidade da barra. (Defeito ocorreu na barra).
O transformador não foi isolado pelo disparo voluntário dos disjuntores do mesmo.
Condições para que uma barra vizinha seja recorrível:
A tensão na barra encontra-se normalizada e não se encontra em curso nenhuma
operação de isolamento da mesma.
Condições para que uma subestação vizinha seja recorrível:
A barra na subestação vizinha é recorrível e a linha de interligação entre as duas
barras encontra-se em bom estado, o que corresponde aos disjuntores da linha não
terem disparado por nenhuma função de proteção devido a defeito na linha. Não
ocorreu o disparo manual dos disjuntores da linha por um operador.
2.1.2 Controlo Corretivo de Proteções (CCP)
Esta função visa colmatar as limitações de uma filosofia coordenada de proteções nos casos
de topologia com paralelo de transformadores, defeitos em barramentos MT, saídas com
proteções avariadas e defeitos quase-simultâneos em saídas MT.
6
Defeitos de Isolamento com Paralelo de Transformadores
Problema: Tipicamente os disjuntores das saídas MT não possuem poder de corte
suficiente para as potências resultantes do paralelo, impedindo este tipo de explora-
ção nas subestações.
Resolução: O CCP efetuará todas as tentativas necessárias de corte do paralelo de
transformadores mal seja detectada a ocorrência de qualquer ativação de uma
proteção na subestação.
O conceito de exploração em paralelo poderá agora ocorrer com transformadores em
diferentes subestações por intermédio da linha de interligação. Esta é uma situação
que poderá ocorrer após o restabelecimento normal de tensão durante o processo de
transferência de alimentação.
Defeitos de isolamento nas barras MT
Os defeitos em barramentos MT podem facilmente ser identificados caso se tire par-
tido da topologia de exploração radial. Estando as proteções de transformadores
colocadas em série com as proteções das linhas, o disparo da primeira proteção sem
o disparo da segunda só pode significar que o curto-circuito se encontra no barra-
mento ou que alguma proteção da saída se encontra inoperacional, caso em que a
proteção do transformador deverá atuar como reserva.
Dada a coordenação cronométrica das proteções, a proteção do transformador
necessita de esgotar uma temporização desnecessária.
A existência de uma subfunção de Pesquisa de Barras Defeituosas permite o isola-
mento da barra defeituosa.
A função baseia o seu funcionamento na desligação dos disjuntores de interbarras
tendo em vista o isolamento da origem do defeito, atuando por isso de forma rápida e
seletiva, evitando os típicos mecanismos de encravamento de proteções.
Defeitos de isolamento quase-simultâneos em saídas MT
Problema: Em situação de tempestade podem ocorrer curto-circuitos em linhas
aéreas com diferenças de poucos décimos de segundo. Embora elimináveis pelo
disparo das proteções da linha, podem causar o não rearme da proteção de reserva,
conduzindo ao disparo dos disjuntores do transformador (perda de seletividade).
Solução: A ativação da proteção de qualquer saída MT do barramento desencadeará
a observação dos acontecimentos por parte do CCP. Se a ativação for seguida de
disparo e desligação efetiva da saída, segue-se uma pausa para cobrir o rearme do
transformador. Se após esta pausa o rearme não se efetuar e existir outra saída com
proteção ativa, o ciclo de observação repete-se.
7
A partir desse instante se ocorrer o disparo da proteção do transformador durante o
tempo de ativação de qualquer saída ou durante a pausa de cobertura do rearme da
proteção do transformador, o CCP ressalvará o estado da barra como religável. A
barra não será considerada religável se:
o O disjuntor da proteção da saída em conjunto com do transformador não se
tiverem desligado durante a pausa atribuída para essa desligação.
o O disparo da proteção do transformador tiver ocorrido durante o período de
ativação da 1.ª saída ou durante o período de rearme da mesma.
2.2 Introdução às Redes de Petri
As Redes de Petri (RdP) tiveram a sua génese em 1962 com a Dissertação de
Doutoramento de Carl Adam Petri, desde então, têm sido continuamente desenvolvidas e
aplicadas nas mais diversas áreas do conhecimento.
A teoria das Redes de Petri permite a modelação e representação matemática de um
sistema e a subsequente análise da sua estrutura e comportamento dinâmico.
A adopção das Redes de Petri para modelação e análise de sistemas complexos de controlo
apresenta claras vantagens:
Capacidade de representar explicitamente dependências e independências causais
em conjuntos de acontecimentos.
Representação de sistemas em diversos níveis de abstração
Possibilidade de interface gráfica
Representação do paralelismo em sistemas concorrentes
Existência de métodos matemáticos formais para análise dos sistemas
representados
Em [1] encontra-se a justificação aprofundada para utilização de Redes de Petri na
especificação de sistemas de controlo em Subestações. Refere-se no entanto que a
capacidade de validar matematicamente o bom funcionamento dos automatismos representa
uma das suas principais vantagens. Este facto é especialmente relevante em sistemas com
automatismos em paralelismo temporal, em que a possibilidade de funcionamentos
incorretos é de difícil previsão.
Apresenta-se de seguida uma síntese das definições fundamentais das Redes de Petri [1] [2]
com o objectivo de convencionar os conceitos utilizados ao longo deste trabalho, a qual não
pretende, contudo, ser uma introdução completa à teoria das Redes de Petri
.
8
2.2.1 Estrutura das Redes de Petri
Definição 2.1: A estrutura de uma Rede de Petri, R, é definida por R = (P, T, I, O, 0), em
que:
𝑃 = {𝑝1, 𝑝2, … , 𝑝𝑚} ,é um conjunto finito de lugares;
𝑇 = {𝑡1, 𝑡2, … , 𝑡𝑛} ,é um conjunto finito de transições;
𝐼: 𝑇 × 𝐿 → 𝑃∞ ,é a função de “lugar precedente”;
𝑂: 𝑇 × 𝐿 → 𝑃∞ ,é a função de “lugar sucessor”;
𝜇0: 𝑃 → 𝑁0 ,é a marcação inicial.
As funções I e O estabelecem as ligações entre transições e lugares por intermédio de arcos
direcionados. Estas funções podem ser representadas na forma matricial [𝐼] e [𝑂] com
dimensão 𝑛 × 𝑚, em que os elementos I(t, p) e O(t, p) representam o peso dos arcos com
números inteiros não-negativos. Estabelece-se assim a matriz de incidências: [𝐶] = [𝑂] − [𝐼].
Uma marcação µ pode ser representada por um vector coluna de dimensão m, que
estabelece a associação de marcas (tokens) a lugares.
Graficamente, uma Rede de Petri pode ser representada por um grafo bi-partido (Figura 2.1),
em que os lugares são representados por círculos e as transições por barras (ou
rectângulos) e as funções I e O por arcos orientados unindo lugares a transições e transições
a lugares. O peso do arco é representado por uma etiqueta junto ao mesmo.
A representação gráfica da marcação de uma Rede de Petri (estado) é feita pela ausência ou
presença de um ou mais pontos no interior dos círculos (lugares). A marcação de um lugar Pi
é representada por µ(Pi).
Figura 2.1- Exemplo da representação gráfica de uma Rede de Petri
9
2.2.2 Dinâmica das Redes de Petri
Cada marcação de uma Rede de Petri denomina-se por estado, o conjunto de todas as
marcações possíveis corresponde ao espaço de estados. No entanto, importa agora definir
como evolui o estado da Rede de Petri.
Definição 2.2: Uma transição 𝑡𝑗 ∈ 𝑇 diz-se disparável se ∀𝑝𝑖 ∈ 𝑃: µ(𝑝𝑖) ≥ # (𝑝𝑖 , 𝐼(𝑡𝑗)). Isto é,
se todos os lugares precedentes da transição têm uma marcação, superior ou igual, ao peso
dos arcos incidentes.
Definição 2.3: O disparo de uma transição 𝑡𝑗 ∈ 𝑇 resulta numa nova marcação da Rede de
Petri definida por: µ𝑖+1(𝑝𝑖) = µ𝑖(𝑝𝑖) − # (𝑝𝑖 , 𝐼(𝑡𝑗)) + # (𝑝𝑖 , 𝑂(𝑡𝑗)) . Esta operação corresponde
à execução de duas tarefas: retirar as marcações dos lugares precedentes e acrescentar
marcações nos lugares sucessores.
2.2.3 Redes de Petri Interpretadas
Uma Rede de Petri interpretada define-se como um rede sobre a qual é possível atribuir um
significado aos seus elementos nos termos da especificação prevista.
Definição 2.4: Uma Rede de Petri interpretada é constituída por uma RdP 𝐶 = (𝑃, 𝑇, 𝐼, 𝑂, µ0),
num domínio operacional 𝐷𝑂𝑃 = (𝐷, 𝑂𝑃, 𝑃𝑅) e duas funções 𝜓 e 𝜙 que estabelecem a
relação entre o domínio operacional e o domínio de controlo (rede de Petri), em que:
𝐷 ,conjunto de estados do domínio operacional;
𝑂𝑃 = {𝑜𝑝1, 𝑜𝑝2, … , 𝑜𝑝𝑠} ,conjunto de operadores;
𝑃𝑅 = {𝑝𝑟1, 𝑝𝑟2, … , 𝑝𝑟𝑠} ,conjunto de predicados sobre D, definidos por 𝑝𝑟𝑗 : 𝐷 →
{𝒱, ℱ} , em que 𝒱 e ℱ representam os valores lógicos de
“verdadeiro” e “falso”;
𝜙: 𝑃 → 𝑂𝑃 ,associa a cada lugar da RdP um estado do domínio
operacional;
𝜓: 𝑇 → 𝑃𝑅 × 𝑂𝑃 ,associa a cada transição da RdP um par (predicado,
operador).
O estado de um sistema representado por rede de Petri interpretada é assim dado pelo par
(𝑑, µ) em que 𝑑 ∈ 𝐷 e µ é a marcação associada aos lugares.
Pode assim estabelecer-se a relação dinâmica entre o domínio de controlo (RdP) e o
domínio operacional. Aquando de uma marcação µ, todas as operações associadas por 𝜙
aos lugares que receberam a marcação são ativadas. Por outro lado, uma transição t é
transponível se os seus lugares de entrada contiverem as marcações necessárias e o par
𝜓(𝑡) for verificado pelo estado atual do domínio operacional.
10
2.2.4 Propriedades das Redes de Petri
Nesta secção é feito um breve sumário das propriedades estruturais e dinâmicas das redes
de Petri e da sua importância na especificação de automatismos. No Anexo A, define-se com
maior detalhe essas mesmas propriedades.
Limitada – Uma rede diz-se k-limitada se para qualquer marcação possível a partir
da marcação inicial, o número de marcas de total da rede é inferior ou igual a k.
Binária – Uma rede diz-se binária se for limitada com k=1.
Reinicializável – Uma rede diz-se reinicializável se a partir da marcação inicial µ0,
existir uma sequência de transições a partir de uma marcação µ que reconduza a µ0.
Vivacidade – Uma rede diz-se viva se não existir nenhuma transição que não possa
vir a ser transposta.
Segurança – Uma rede diz-se segura se para todo o espaço de estados originado a
partir de uma marcação inicial µ0, não existe mais do que um token em cada lugar da
RdP.
Determinismo – Todos os conflitos existentes nas RdP (ver Definição 2.7) são
sempre resolvidos, o que implica a complementaridade dos predicados das
transições em conflito.
Num sistema de controlo a verificação destas propriedades é de extrema importância,
nomeadamente a capacidade de reinicialização do automatismo, a segurança e a vivacidade
da rede que o define, garantindo assim a inexistência de deadlocks.
Definição 2.5: Define-se como invariante de lugares (P-invariant) um conjunto de lugares
cuja soma das suas marcações se mantém constante para todas as marcações possíveis.
Definição 2.6: Define-se como um invariante de transições (T-invariant) uma sequência de
transições que não alteram a marcação da rede. Podem ser assim considerados como ciclos
no espaço de estados da rede.
A análise dos invariantes tem especial interesse na verificação do bom funcionamento de
sistemas de controlo, nomeadamente aquando da existência de acontecimentos em
concorrência ou de operações que não podem ocorrer em simultâneo. Para isso é
necessária uma análise estrutural da rede, com especial foco nos invariantes de lugar, e
tendo sempre em consideração a interpretação da RdP.
Definição 2.7: Duas transições encontram-se em conflito se possuírem pelo menos um lugar
precedente comum.
A resolução dos conflitos pode ser de escolha livre ou escolha imposta, tal como se
exemplifica na Figura 2.2.
Em redes de Petri interpretadas a resolução de conflitos, especialmente os de escolha livre,
é efetuada através da especificação dos predicados associados a cada transição.
11
As propriedades enunciadas são condições necessárias mas insuficientes para a verificação
do correto funcionamento das RdP uma vez que reportam unicamente a redes de Petri não
interpretadas, sendo como tal é necessário ter em consideração o domínio operacional da
mesma. Uma rede de Petri interpretada pode não verificar as mesmas propriedades que uma
rede de Petri simples, pois está sujeita a um conjunto de estados, operadores e predicados
que poderão não ser fisicamente realizáveis.
Figura 2.2 - Exemplo de conflitos: Escolha livre (t1 ou t2) e escolha imposta (t4)
A análise das redes de Petri é assim apenas um primeiro passo na verificação do bom
funcionamento dos automatismos, não dispensando uma análise posterior da estrutura de
interpretação da RdP.
2.3 Automatismos
Nesta secção são apresentadas as RdP presentes em [1], onde se encontram especificados
o automatismo de Operação de Recurso e os autómatos modeladores de equipamentos
existentes nas subestações, nomeadamente de Transformadores e Barramentos.
Para além dos automatismos referentes a funções de proteção existentes nas subestações,
existem diversos equipamentos que se podem encontrar em diferentes situações de
funcionamento, influenciando a operação dos automatismos. É assim necessário a criação
de autómatos que modelem os diferentes estados bem como as sequências que levaram os
equipamentos aos mesmos.
No Anexo B encontram-se detalhadas as RdP da Operação de Recurso, autómatos
modeladores e automatismos elementares associado à manobra dos equipamentos de corte.
2.3.1 Autómato de Transformador
Na
Figura 2.3 encontra-se apresentada a RdP associada ao autómato de transformador. Na
Tabela 2.1 encontram-se descritos os estados e predicados associados a cada lugar e a
cada transição respectivamente.
12
Figura 2.3 - RdP abstraída do autómato do transformador
Tabela 2.1 – Interpretação da RdP do autómato do transformador
Semântica dos Lugares
T1 Transformador em Serviço
T2 Transformador Fora de Serviço
T3 Transformador Religável
Predicados das Transições
t1 Ligação dos aparelhos de corte que delimitam o transformador
t2 Disparo por defeito interno do transformador ou desligação por comando do operador
t3 Ligação dos aparelhos de corte que delimitam o transformador
t4 Disparo pela proteção do transformador contra defeitos externos ou devido à sequência “Disparo pelo relé de mínimo de Tensão > Regresso de Tensão na AT”.
13
2.3.2 Autómato de Barramento
Na Figura 2.4 encontra-se apresentada a RdP associada ao autómato de barramento. Na
Tabela 2.2 encontram-se descritos os estados e predicados associados a cada lugar e a
cada transição respectivamente.
Figura 2.4 - RdP abstraída do autómato do barramento
Tabela 2.2 - Interpretação da RdP do autómato do barramento
Semântica dos Lugares
B1 Transformador em Serviço
B2 Transformador Fora de Serviço
B3 Transformador Religável
Predicados das Transições
b1 Ligação dos aparelhos de corte que delimitam o barramento
b2 Disparo pela proteção do transformador contra defeitos externos ou desligação por comando do operador
b3 Ligação dos aparelhos de corte que delimitam o transformador
b4 Isolamento por defeito interno do transformador ou desligação pela ação do relé de mínimo de tensão.
b5 Interligação por parte do operador a outro barramento religável ou classificação do barramento como religável pelo operador
2.3.3 Recurso de Alimentação pelo deslastre de U=0 na MT
A especificação do automatismo tal como apresentada em [1] prevê uma configuração de
rede em que existem dois barramentos distintos com um transformador acoplado a cada um,
existindo ainda a possibilidade de os dois barramentos se encontrarem acoplados por
intermédio de um disjuntor interbarras.
14
A partir desta configuração são assim previstas duas situações iniciais distintas, tendo cada
situação uma RdP diferenciada. Apresentam-se nesta secção as duas RdP de forma sucinta,
bem como as respectivas interpretações.
Figura 2.5 – RdP abstraída do recurso MT de uma barra isolada
Na Figura 2.5 encontra-se representada a operação de recurso com situação de partida de
barra isolada. A condição RECA representa a situação inicial, a partir da qual existem duas
formas distintas de recurso, a ligação do transformador com ou sem sucesso (rec3 e rec4) ou
a ligação do disjuntor interbarras (rec5 e rec6). A reposição de tensão pode ainda ser
efetuada por comando exterior (rec2). A transição rec1 representa a situação de barras
interligadas.
Figura 2.6 - RdP abstraída do recurso MT com barras acopuladas
Caso a situação de partida seja a de barras interligadas (Figura 2.6), as duas opções
distintas de recurso são a ligação de um dos dois transformadores (rec8 e rec10). As
restantes transições representam situações insucesso na ligação dos transformadores (rec9
e rec10), a reposição da tensão por comando externo (rec8a) ou ainda o desacoplamento
das duas barras por abertura do disjuntor interbarras (rec28).
15
3 Princípios Operacionais da Auto-Cicatrização de redes MT
A função de operação de recurso, no âmbito de uma subestação, executada por intermédio
de um automatismo, encontra-se atualmente já implementada, sendo utilizada em diversas
redes de distribuição.
O desafio atual consiste no alargamento desse automatismo confinado a uma subestação a
toda a rede de distribuição tendo em vista a alimentação total ou parcial da carga afectada e
a minimização dos tempos de restauro da rede.
A solução apresentada no Capítulo 2 e presente em [1] é adaptável para situações
topológicas diferentes, com um maior número de barramentos. No entanto o nível de
complexidade que tal acarreta e a não modularização do automatismo inviabiliza a sua
extensão a toda a rede de distribuição.
Se numa subestação as diferentes topologias e configurações de exploração eram já um
desafio, quando o problema é alargado a toda uma rede, as combinações possíveis
aumentam de forma imensurável. Deste modo é essencial um método que não só se adapte
às diferentes topologias existentes, mas também às mudanças de configurações e incidentes
decorrentes da exploração da rede.
Ao longo deste capítulo é descrita uma metodologia de resolução do problema mencionado,
enunciando os requisitos do sistema e descrevendo o seu método de funcionamento.
3.1 Requisitos Operacionais
No cômputo de uma rede de energia eléctrica, os elementos existentes, tal como as suas
características, são variados. É assim importante a sua definição e categorização.
Numa primeira abordagem, são excluídos desta análise todos os elementos de ligação direta
às cargas. O automatismo de Auto-Cicatrização tem como objectivo a realimentação aos
barramentos e Nós da rede, sendo a posterior ligação das cargas efetuada pelo respectivo
automatismo de reposição de cargas.
Após esta primeira simplificação, existem na rede os seguintes elementos:
Linhas
Barramentos
Aparelhos de Corte e Seccionadores
Transformadores
Estes elementos podem ser classificados em três categorias distintas:
Nós: Barramentos e linhas ou secções de linhas
Ligação: Aparelhos de corte e seccionadores
Alimentação: Transformadores ou outras fontes de energia
16
A partir das três categorias abstractas mencionadas é possível construir uma qualquer rede
de energia eléctrica de Média Tensão.
Os requisitos operacionais de uma Operação de Recurso no âmbito de uma subestação
foram já especificados em (2.1.1). No entanto, a generalização da Operação de Recurso a
uma rede conduz à necessidade de requisitos adicionais de modo a assegurar a segurança,
a fiabilidade e o bom funcionamento de toda a operação:
Condição 3.1: Sendo as redes de distribuição de topologia radial, é necessário que qualquer
operação não comprometa este princípio através da criação de circuitos em anel (malhas).
Condição 3.2: Tipicamente, cada circuito independente da rede tem um único ponto de
alimentação, salvo alguns casos em que possa ocorrer exploração com transformadores em
paralelo. Deste modo, é necessário assegurar que apenas um dos elementos de cada
circuito independente efetue a Operação de Recurso.
Condição 3.3: Numa rede, existem diversos elementos que poderão estar desligados por
opção de exploração (ex.: linhas de interligação entre subestações), podendo ser ligados em
caso de necessidade. No entanto, esses elementos poderão encontrar-se fora de serviço por
razões, que exigem que os mesmos não sejam ligados em qualquer circunstância (ex.:
manutenção da Linha). É assim necessário assegurar que não ocorrem operações de
ligação indevidas sobre esses equipamentos.
Condição 3.4: No cômputo de uma subestação existem diversos automatismos em
funcionamento simultaneamente, sendo que os incidentes que os iniciam têm um carácter
aleatório. Assim, é necessário que qualquer ação sobre os equipamentos respeite dois
requisitos fundamentais, de modo a salvaguardar a segurança da operação:
A manobra de qualquer equipamento só é efetuada se todos os automatismos que
atuam sobre esse equipamento concordarem.
A manobra final desse equipamento só é realizada após o término da ação de todos
os automatismos que atuam sobre o equipamento.
3.2 Identificação de Topologias Dinâmicas
A topologia estática de uma rede é definida pelo diagrama unifilar da mesma, consistindo na
disposição dos vários elementos: barramentos, linhas, transformadores, disjuntores e
seccionadores. A topologia de exploração (ou dinâmica) dessa mesma rede consegue-se
tendo em conta a posição de todos os elementos de ligação (seccionadores, disjuntores,...),
isto é, tendo em consideração os seus dois estados complementares: aberto ou fechado.
A principal dificuldade na extensão do automatismo de operação de recurso apresentado em
[1] a toda uma rede de distribuição é a capacidade de prever todas as situações que poderão
advir das múltiplas topologias de exploração.
17
Neste sentido, torna-se essencial a adopção de um método capaz de identificar a topologia
de uma rede de distribuição de forma dinâmica. Só com uma solução deste tipo é possível a
criação de um automatismo capaz de efetuar uma operação de recurso ao nível da rede de
forma eficaz.
Neste subcapítulo é apresentada a metodologia descrita em [5], desenvolvida por Klaus-
Peter Brand e Wolfgang Wimmer. Ainda que a solução possa ter outras funcionalidades
(nomeadamente de proteção), são aqui apresentados apenas os conceitos essenciais do seu
funcionamento sobre os quais se desenvolverá o automatismo de auto-cicatrização de redes
MT.
3.2.1 Definição de Conceitos
Os dois conceitos fundamentais presentes nesta metodologia são o de Connectivity Node
(CN) e o de Connectivity Part (CP).
Definição 3.1: Classifica-se como CN qualquer elemento que se encontre na categoria de
Nó, definida anteriormente em 3.1, i.e. qualquer elemento passível de ser conectado
electricamente, tais como barramentos, linhas ou segmentos de linhas.
A cada um destes elementos é atribuído um número de identificação único na rede (CN1,
CN2,...) sendo esta identificação armazenada em DEIs. Adicionalmente, cada equipamento
referencia todos os CNs a que se encontra conectado.
Com esta abordagem define-se a identificação da topologia estática da rede, isto é, a partir
das referências aos terminais de cada equipamento de ligação é possível construir o
diagrama unifilar da rede. Na Figura 3.1 exemplifica-se a atribuição de CNs aos diversos
elementos, numa rede constituída por três barramentos, uma linha de interligação e duas
linhas de saída com vários segmentos.
Figura 3.1 – Identificação dos CNs (1 a 9) no diagrama unifilar da rede.
18
Definição 3.2: Classifica-se como CP um conjunto de nós (CNs) electricamente ligados
entre si por intermédio de equipamentos de ligação no estado fechado.
Cada CN existente na rede é designado a um CP. Tal como os CNs, cada CP possuí um
número identificador único. A diferença entre CNs e CPs é que os CNs conectados entre si
por meio de um aparelho de ligação no estado fechado possuem o mesmo identificador de
CP. Naturalmente, numa rede, o número de total de CNs é constante enquanto o número
total de CPs é variável, consoante o estado de cada um dos equipamentos de corte e
seccionamento. Com a identificação dos CPs consegue-se a identificação da topologia de
exploração (dinâmica) da rede.
Na Figura 3.2 apresenta-se o mesmo exemplo, com algumas diferenças ao nível do estado
dos aparelhos de ligação e com a resultante identificação dos diferentes CPs.
Figura 3.2 – Identificação dos CPs (1 a 3) no diagrama unifilar da rede
Adicionalmente cada equipamento de ligação contém a referência dos CPs que se
encontram em cada um dos seus terminais. Se o aparelho estiver fechado o identificador
será o mesmo para os dois terminais, caso este esteja aberto, o identificador será diferente.
Existem diversas formas de obter um identificador único e dinâmico para os CPs, no curso
deste trabalho seguiu-se a filosofia de que o identificador será o mínimo de todos os CNs
conectados entre si. Sendo único o identificador de cada CN, então o identificador de CP
também o será, uma vez que cada Nó só poderá pertencer a uma Connectivity Part.
3.2.2 Operações sobre a rede
Para qualquer operação sobre os aparelhos de corte e ligação da rede é necessária uma
atualização dos CPs afectados por essa mesma operação.
Quando ocorre uma manobra de ligação entre dois CPs, o equipamento de ligação tem
associado a cada um dos terminais os respectivos identificadores. Após a operação, o menor
19
dos dois é comunicado ao terminal oposto, sendo este posteriormente propagado aos
restantes elementos. Para o caso de uma desligação, o procedimento é idêntico.
A Figura 3.3 e a Figura 3.4 ilustram um exemplo de duas ligações entre CPs, primeiro
através do fecho do disjuntor entre o barramento CN1 e a linha CN2 e posteriormente
através do fecho do disjuntor entre a linha CN2 e o barramento CN3.
A Figura 3.3 ilustra a ligação entre o barramento CN1 e a linha CN2. O equipamento de
ligação entre CN1 e CN2 contém as referências CP1 e CP2, comunicando o identificador
CP1 ao elemento CN2. Após a ligação, o CP2 é eliminado, sendo integrado no CP1.
Figura 3.3 - Identificação dos CPs após o fecho do disjuntor entre CN1 e CN2
Após a operação ilustrada na Figura 3.3, é agora efectuada uma nova ligação entre a linha
CN2 e o barramento CN3. O procedimento é idêntico no entanto, neste caso o identificador
CP1 é comunicado a todos os elementos anteriormente pertencentes ao CP3 (CN3, CN4,
CN5 e CN9). Como resultado final, toda a rede se encontra interligada sob um identificador
comum: CP1 (Figura 3.4).
Figura 3.4 – Identificação dos CPs após o fecho do disjuntor entre CN2 e CN3
20
3.2.3 Definição e Propagação de Atributos
Conjuntamente com o identificador de CP é possível propagar diversos atributos dos
diferentes Nós. Os atributos necessários dependem dos requisitos das funções a
implementar.
No caso em estudo será importante a propagação do potencial a que se encontra o CP: sob
tensão, desconectado, ligado à terra ou ainda se este é desconhecido. Poderão ainda ser
úteis outras informações como a distância eléctrica à alimentação, dependendo estas dos
critérios da operação de recurso a implementar.
A forma de propagação destas informações depende em parte do sistema de comunicações
adoptado, no entanto as mensagens GOOSE definidas na CEI 61850 constituem um meio
eficaz de transmissão deste tipo de informação. A temática da implementação e
comunicação será abordada no Capítulo 5.
3.2.4 Identificação de topologias dinâmicas e Auto-Cicatrização
Após a ocorrência de um defeito na rede, seja ele um curto-circuito numa linha, num
transformador ou num barramento (entre outros), diversos elementos da rede (barramentos,
linhas...) ficam sem alimentação embora continuem interligados entre si.
Para efetuar o restauro dos Nós afectados é apenas necessário que um dos elementos
interligados encontre uma fonte alternativa de alimentação em condições de fornecer energia
a todo o circuito. De facto, é imperativo que apenas um dos elementos interligados se ligue
a uma fonte alternativa.
Um sistema capaz de efetuar o restauro da rede respeitando as condições anteriores
necessita assim de conhecer que elementos estão interligados entre si e quais desses
elementos possuem potenciais fontes alternativas.
A técnica de identificação de topologias dinâmicas revela-se assim uma ferramenta de
bastante utilidade para um sistema com estas características:
Através do conhecimento dos CPs, é possível identificar que elementos estão
interligados entre si.
Sabendo que elementos estão interligados é possível descriminar qual deles
efetuará a Operação de Recurso. Encontra-se assim assegurado que cada CP tem
apenas uma fonte de alimentação (Condição 3.2).
Os possíveis circuitos em anel são facilmente identificáveis: se um equipamento de
ligação aberto tiver o mesmo identificador de CP nos seus dois terminais, então esse
mesmo equipamento de ligação não poderá ser fechado (Condição 3.1). Esta
situação é visível na Figura 3.4, no equipamento de corte entre os nós CN5 e CN6.
21
3.3 Princípio de Funcionamento
A necessidade da Operação de Recurso resulta da falta de alimentação de um determinado
Nó (ou conjunto de Nós), que é detectada pela falta de tensão no(s) mesmo(s). Uma vez
isoladas as causas da falta de alimentação é ativado o mecanismo de auto-cicatrização.
Este mecanismo é constituído por dois blocos fundamentais: Automatismo de Operação de
Recurso (AOR) e Gestão da Auto-Cicatrização (GAC).
3.3.1 Automatismo de Operação de Recurso (AOR)
O primeiro bloco consiste num conjunto de automatismos independentes (conjunto de
AORs), cada um pertencente a um Nó. O funcionamento de cada um destes automatismos é
semelhante ao do automatismo descrito em (2.3.3).
Em cada AOR estão representadas todas as ligações possíveis do Nó que o automatismo
controla, sendo ainda efetuadas todas as verificações e operações necessárias ao fecho dos
equipamentos de ligação para cada uma das opções possíveis.
Podemos assim estabelecer os objectivos de cada AOR independente:
1. Determinar quais as ligações possíveis que se encontram em condições de servir
como alternativa de alimentação.
2. Caso exista mais do que uma alternativa (local), decidir qual a melhor.
3. Efetuar as operações necessárias para o fecho dos equipamentos de ligação
Cada um dos elementos deste bloco tem assim uma característica local, recebendo inputs e
enviando ordens de comando apenas sobre os equipamentos diretamente relacionados com
o Nó sobre o qual exerce o controlo.
3.3.2 Gestão da Auto-Cicatrização (GAC)
Cada um dos elementos do automatismo da operação de recurso opera apenas localmente
não tendo qualquer informação sobre o restante estado da rede nem da configuração com
que esta se encontra. Deste modo, uma vez que a ligação de um Nó a uma fonte alternativa,
automaticamente fornece alimentação a todos os restantes Nós que a eles estejam
conectados, é necessário um mecanismo de encravamento e decisão que impeça a ligação
de vários Nós simultaneamente. Este mecanismo de encravamento é o segundo bloco do
sistema de auto-cicatrização, funcionando como integrador de todos os restantes
automatismos e tem como objectivos:
1. Registar todos os Nós sem alimentação e em condições de serem religados.
2. Determinar quais os Nós que se encontram interligados (análise topológica)
3. Para cada grupo de Nós interligados definir qual o Nó que efetuará a tentativa de
realimentação.
Através da descrição dos objectivos de cada um dos automatismos conclui-se que o
processo de decisão sobre qual a fonte alternativa a ser utilizada é efetuado em dois tempos,
22
primeiro ao nível do automatismo integrador (GAC) sobre qual o Nó a efetuar a operação de
recurso e, posteriormente, ao nível do automatismo do Nó (AOR), sobre qual das possíveis
opções será efetuada a ligação.
Na Figura 3.5 encontra-se a sequência de ações da operação de auto-cicatrização. A verde
encontram-se as ações efetuadas pelo automatismo integrador (GAC) e a laranja as ações
efetuadas pelo automatismo AOR.
Figura 3.5 - Fluxograma de funcionamento do automatismo de Auto-Cicatrização
Na Figura 3.6 encontram-se representados de forma genérica os inputs e outputs do
automatismo, estabelecendo-se a relação hierárquica entre os dois tipos de automatismos.
Excluem-se no entanto as informações de cariz operacional dos equipamentos e do sistema
necessárias ao funcionamento dos mesmos.
Por fim, é ainda importante referir que o GAC efetua a gestão de realimentação de toda uma
rede e como tal poderão ocorrer situações de pedidos de realimentação quase simultâneos
em pontos distintos da mesma. A gestão destes pedidos pode no entanto ser efetuada em
paralelo, sendo enviados os comandos de realimentação para diferentes AOR que efetuam
as operações necessárias, salvaguardando sempre as condições operacionais mencionadas
em 3.1.
23
Figura 3.6 - Fluxo de informação entre GAC e AOR(s)
3.3.3 Resolução de Conflitos
No decorrer da operação do automatismo é possível a existência de conflitos que se refletem
nas decisões dos dois automatismos. Primeiramente ao nível da escolha de qual o Nó do CP
a efetuar a realimentação (caso este não se encontre isolado) e posteriormente ao nível do
AOR sobre qual a fonte de alimentação alternativa a utilizar (caso exista mais que uma).
Torna-se assim necessária a definição de critérios que permitam aos automatismos efetuar
as decisões. Estes critérios podem ser diversos e dependentes de rede para rede ou ainda
de Nó para Nó, devendo por isso ser deixados como parametrizáveis pelo operador.
Apresentam-se de seguida algumas opções possíveis:
Distância eléctrica até à fonte de alimentação
Capacidade da fonte suportar toda a carga
Percentagem de carga dos Transformadores
Predefinição de ordem de prioridades pelo operador
Outros ou combinações dos anteriores.
3.3.4 Exemplo de Aplicação
Apresenta-se nesta subsecção um exemplo de demonstração do funcionamento do
automatismo de auto-cicatrização numa rede tipo genérica. No decorrer do exemplo são
apresentadas diversas ocorrências sobre o sistema, defeitos sobre linhas, barramentos e
ainda fontes de alimentação (ao nível dos transformadores e da AT).
O esquema unifilar da rede tipo considerada encontra-se na Figura 3.7. São consideradas
três subestações, totalizando cinco transformadores AT/MT. Apresentam-se ainda na rede
cinco postos de transformação (PT) genéricos para a rede de distribuição de baixa tensão
(BT). Não se encontram no entanto representados na rede os transformadores MT/BT ou
ligações diretas a cargas, quer por parte dos barramentos das subestações quer por parte
dos PTs.
24
Na Figura 3.8, encontra-se o esquema unifilar da rede na condição normal de exploração,
conseguido através da consideração da posição dos diversos disjuntores e seccionadores
presentes.
Em todas as figuras estão também representadas as identificações dos diversos CN
presentes na rede, bem como as identificações de CP atendendo às diversas topologias de
exploração que a rede apresenta.
Figura 3.7 – Esquema unifilar da rede tipo do exemplo de aplicação
Figura 3.8 – Topologia normal de exploração da rede tipo
Na imagem apenas figuram os CP dos nós interligados, os elementos a negro encontram-se
isolados, no entanto possuem igualmente um identificador de CP, sendo este igual ao seu
identificador de CN.
25
Situação 1: Defeito no barramento CN20 - CP10
Após a ocorrência do defeito no barramento entram em atuação os automatismos de
proteção próprios da subestação, efectuado o isolamento do barramento, tanto das cargas
que este alimenta como do transformador.
Esta ação provoca a falta de alimentação dos barramentos CN12 e CN10, bem como uma
alteração topológica da rede. Observa-se assim a criação de dois novos CP, o CP12
constituído pelo CN12 e CN13 e um novo CP20 constituído unicamente pelo barramento
CN20 fora de serviço. Ocorre ainda uma alteração ao anterior CP10, passando este a ser
unicamente constituído pelo CN10 e CN22. A nova situação encontra-se representada na
Figura 3.9.
Figura 3.9 – (I) Topologia da rede tipo após defeito e isolamento do barramento CN20
Com isolamento do elemento da rede em defeito, entra em funcionamento o automatismo de
auto-cicatrização com o objectivo de restaurar a alimentação ao CP10 e CP12. Enumeram-
se agora os passos que levam à concretização deste processo:
1. Os nós CN10, CN12, CN13 e CN22 comunicam ao GAC a sua necessidade de
realimentação, sendo distribuídos pelos respectivos CP.
2. O GAC define o CN12 e o CN10 como os elementos sobre os quais será efetuada a
operação de recurso do CP12 e CP10 respectivamente, uma vez que os restantes
elementos não possuem fontes alternativas.
3. São ativados o AOR10 e o AOR12.
4. O AOR10 define como melhor alternativa (e única) a ligação ao CP8 por intermédio
do fecho dos disjuntores de linha do nó CN9.
26
5. O AOR12 possui duas ligações alternativas: a alimentação pelo CP1 ou a ligação
pelo CP8;a Sendo optada a decisão de realimentação através do CP1 por intermédio
da ligação dos disjuntores de linha do nó CN11.
6. Após a confirmação de regresso de tensão aos diferentes nós, o automatismo entra
em repouso.
7. São atualizados os identificativos de CP dos novos elementos agora interligados.
A configuração final da rede e respectivas identificações, encontra-se na Figura 3.10.
Figura 3.10 – (I) Topologia da rede após a ação do automatismo de Auto-Cicatrização
Situação 2: Defeito no transformador TR2 (CP5)
A partir da situação anterior (considerando que o barramento CN20 ainda se encontra fora
de serviço), ocorre agora um defeito interno no transformador TR2. São acionados os
mecanismos próprios e isolado o defeito através da abertura dos disjuntores do
transformador MT e AT (não visível na imagem).
O CP5 encontra-se agora sem alimentação (Figura 3.11). Entra assim em funcionamento o
automatismo de auto-cicatrização através do pedido de realimentação dos respectivos
elementos: CN5, CN6 e CN17. A sequência do automatismo é assim semelhante à da
situação anterior:
1. Os nós CN5, CN6 e CN17 comunicam a necessidade de realimentação.
2. Existem agora quatro alternativas de alimentação (assinaladas a verde na Figura
3.11): CP1 através da ligação do disjuntor interbarras entre CN1 e CN17, CP1
através da ligação dos disjuntores do nó CN3, CP15 através da ligação dos
disjuntores do nó CN16 e CP15 através da ligação dos disjuntores do nó CN18.
a Não existindo uma definição formal de um único critério de decisão, por questões de simplicidade da explicação considera-se como preferencial a ligação ao CP com menor identificativo.
27
Partindo do critério utilizado anteriormente (min[CP] e min[CN]), o GAC define o nó
CN17 como o elemento sobre o qual será efetuada a realimentação.
3. É ativado o AOR17.
4. O AOR17 define como melhor alternativa a ligação do disjuntor interbarras para o
CN1 em detrimento da ligação do nó CN16.
5. Fecho do disjuntor interbarras.
6. Após confirmação do regresso de tensão a todos os nós, o automatismo entra em
repouso.
7. São atualizados os identificativos de CP dos novos nós.
A configuração final da rede encontra-se na Figura 3.12.
Figura 3.11 – (II) Topologia após o defeito interno e isolamento do transformador TR2
Figura 3.12 – (II) Topologia final após o fim da ação do automatismo de auto-cicatrização
28
A configuração final obtida na Figura 3.12 parece sugerir uma distribuição desigual da carga
da rede, no entanto, importa referir dois aspectos:
O automatismo tem como principal função a rápida realimentação dos nós afectados,
podendo a topologia ser posteriormente alterada pela ação manual do operador.
O critério de decisão da realimentação utilizado neste exemplo não contempla
nenhuma base de cariz eléctrico ou de exploração. Evidencia-se assim a
necessidade de uma definição clara dos critérios de decisão do automatismo por
parte de cada operador da rede (ORD).
29
4 Especificação dos automatismos por Redes de Petri
No Capítulo 3 foram descritos os princípios de funcionamento do automatismo de Auto-
Cicatrização tendo por base um sistema de identificação de topologias dinâmicas. É agora
necessário traduzir esses princípios num conjunto de automatismos e autómatos
especificados em redes de Petri, que interagindo entre si, são capazes de comportar o
volume de informações requeridos e satisfazer os requisitos operacionais enunciados.
Adicionalmente é ainda necessário que estes automatismos sejam suficientemente flexíveis
e modulares, tendo em vista a sua fácil adaptação a uma qualquer rede, independentemente
da sua topologia ou da sua dimensão.
São assim apresentados neste Capítulo um autómato que modela as linhas presentes na
rede e dois automatismos que gerem toda a informação e executam todas as operações
necessárias:
Autómato de Linha
Automatismo de Operação de Recurso (AOR)
Automatismos de Gestão da Auto-Cicatrização (GAC)
A especificação destes automatismos será formalizada em redes de Petri ordinárias (RdP),
sendo utilizado o software TINA 3.2.0 (Novembro de 2013) do LAAS-CNRS – Laboratoire
d’Analyse et d’Architecture dês Systèmes para proceder à análise formal das mesmas.
O software apresenta diversas características que facilitam a representação das RdP, bem
como variadas ferramentas para proceder à sua análise, tais como:
Reachability analysis – Permite a verificação das propriedades de vivacidade,
limitação, reinicialização e segurança das RdP.
Structural analysis – Permite a verificação de todos os invariantes de lugar e
transições presentes na RdP.
Stepper Simulator – Permite simular as marcações passo a passo na RdP
apresentada, auxiliando na depuração de erros de funcionamento da rede.
Apresenta-se de seguida o ambiente de desenvolvimento do programa TINA na Figura 4.1.
30
Figura 4.1 – Ambiente de desenvolvimento do TINA 3.1.0 do LAAS-CNRS
4.1 Autómatos Modeladores
As barras, transformadores e linhas de interligação de subestações podem encontrar-se em
diferentes situações de funcionamento. É assim necessária a criação de autómatos que
modelem os diferentes estados bem como as sequências que levaram os equipamentos a
esses estados.
No Capítulo 2 e no Anexo B foram já apresentados os autómatos de barramentos e
transformadores descritos em [1], no entanto, devido às suas características as linhas que
efetuam a interligação entre subestações e postos de transformação, apresentam algumas
especificidades que carecem de modelação específica, tal como se apresenta de seguida
(Figura 4.2 e Tabela 4.1).
Figura 4.2 – Rede de Petri interpretada do autómato de Linha
31
Tabela 4.1 - Interpretação da RdP do autómato de linha (Figura 4.2)
Semântica dos Lugares
L1 Linha em Serviço
L2 Linha Fora de Serviço
L3 Linha Religável
L4 Linha Fora de Serviço mas Religável
Semântica das Transições
l1 Ligação dos disjuntores de linha
l2 Abertura dos disjuntores; Defeito na linha
l3 Disjuntores de linha fechados mas linha com tensão zero
l4 Disjuntores de linha fechados e linha com tensão
l5 Abertura dos disjuntores e linha ligada à terra ou ativação das proteções de linha
l6 Abertura dos disjuntores de linha, proteções de linha em repouso
l7 Disjuntores de linha abertos; linha não ligada à terra e proteções em repouso
l8 Linha comissionada. Impossibilidade de ligação da linha.
l9 Fecho dos disjuntores de linha, linha em tensão.
O modelo de linha apresenta-se estruturalmente idêntico ao modelo de barramento. É no
entanto necessário adicionar um novo estado, o de Fora de Serviço mas Religável,
representado no autómato da Figura 4.2 pelo lugar L4.
Os barramentos de uma subestação encontram-se por norma em serviço sendo que
alteração do seu estado decorre tipicamente de um defeito ou anomalia na exploração da
rede. Por conseguinte não é relevante considerar um estado em que o barramento se
encontra fora de serviço por opção de exploração, podendo ser religado no caso de uma
operação de recurso.
Já na modelação de linhas MT esta situação não se verifica. Tal como foi mencionado
anteriormente as redes a este nível de tensão são exploradas radialmente, no entanto,
construtivamente a rede poderá ser malhada, levando a que diversas linhas se encontrem
Fora de Serviço, não pela ocorrência de defeitos mas por opções de exploração. Estas linhas
constituem assim ligações alternativas que poderão ser colocadas ao serviço em caso de
necessidade.
Torna-se assim relevante a discriminação das causas que levaram à abertura dos disjuntores
da linha, sendo necessário distinguir se a linha poderá ou não ser colocada novamente ao
serviço.
32
4.2 Automatismo de Operação de Recurso (AOR)
4.2.1 Descrição do Automatismo
O Automatismo de Operação de Recurso efetua as operações e verificações necessárias
para a ligação dos equipamentos de seccionamento e corte, tendo em vista a realimentação
de um determinado nó e possivelmente a subsequente realimentação de vários outros
elementos da rede.
Tal como foi referido na secção 3.3.1, cada AOR é específico de cada nó ou CN, estando
este responsável pela operação sobre os equipamentos que permitem a ligação deste aos
elementos adjacentes.
Dependendo do nó sobre o qual o automatismo se encontra responsável poderão ser várias
as opções de recurso:
Transformador
Barramento
o Por intermédio de um disjuntor de interbarras
o Por intermédio da ligação de uma linha
Linha (ou secção de linha)
O automatismo tem que ser adaptável às diferentes topologias estáticas e configurações
possíveis. Como tal, cada uma das anteriores ligações possíveis descritas constituí um
módulo de ligação, sendo um AOR composto por um ou mais módulos sobrepostos a uma
estrutura base idêntica para todos os nós (inicialização e finalização do automatismo).
4.2.2 Interpretação da Rede de Petri
Na Figura 4.3 encontra-se representada a Rede de Petri interpretada do Automatismo de
Operação de Recurso. Esta rede representa um automatismo genérico em que se encontram
representados os diferentes módulos possíveis, ligação de uma linha, ligação de um disjuntor
de interbarras ou ainda ligação de um transformador.
O automatismo é ativado através da sua condição inicial RECA, partindo da qual, existem
neste exemplo cinco opções distintas de evolução do estado do automatismo.
As transições rec1 e rec2 representam a reposição de tensão por comando exterior e a
ausência de opções de religação para este nó respectivamente.
As três restantes transições rt1, rb1 e rl1 representam as diferentes opções de recurso
genéricas, ligação do transformador, ligação a um barramento através do fecho de um
disjuntor interbarras e ligação a um barramento por intermédio da ligação de uma linha
respectivamente. Estas três transições e os lugares e transições subsequentes definem
assim os três módulos principais de opções de religação.
33
Figura 4.3 - Rede de Petri interpretada do automatismo AOR (genérico)
Nota: Os lugares a tracejado são exteriores ao automatismo, pertencendo aos autómatos de
linha, barramento e transformador (L, B e T).
Os lugares RT1, RB1 e RL1 correspondem à ligação dos aparelhos de corte e
seccionamento necessários para execução da operação. As transições que lhes seguem
correspondem ao sucesso e insucesso dessas ligações, refletindo assim o sucesso ou
insucesso da operação.
Os lugares B1Y, B1Z e T3 garantem que as fontes recorridas se encontram sãs e em
condições de servirem como alternativa, salvaguardando a Condição 2.2.
Em caso de sucesso, é iniciada uma pausa de verificação de regresso de tensão, sendo
posteriormente ativado o local AOR.SUC, que corresponde ao término de operação do AOR
com sucesso de realimentação. Em caso de insucesso, é ativado o local AOR.FAIL,
correspondendo este ao término de operação do AOR sem sucesso de realimentação.
A semântica de cada lugar e de cada transição encontram-se descritos na Tabela 4.2.
34
Tabela 4.2 –Interpretação da RdP do AOR genérico (Figura 4.3)
Semântica dos Lugares
RECA Condição inicial de ativação do AOR
RT1 Liga Transformador (disjuntores AT e MT)
RT2 Sucesso de ligação do transformador
RT3 Insucesso de ligação do transformador
RB1 Liga disjuntor interbarras
RB2 Sucesso de ligação do disjuntor interbarras
RL1 Liga linha (ambos os disjuntores de linha)
RL2 Sucesso de ligação da linha
RL3 Insucesso na ligação da linha
AOR.SUC Término da operação do AOR com sucesso na operação de recurso
AOR.FAIL Término da operação do AOR com insucesso na operação de recurso
Semântica das Transições
rt1 Comando de ligação do Transformador
rt2 Lançamento da pausa para retorno do relé de mínimo de tensão
rt3 Falha na ligação do Transformador
rt4 Fim da pausa para retorno do relé de mínimo de tensão
rb1 Comando de fecho do disjuntor interbarras
rb2 Lançamento da pausa para retorno do relé de mínimo de tensão
rb3 Falha no fecho do disjuntor interbarras
rb4 Fim da pausa para retorno do relé de mínimo de tensão
rl1 Comando de fecho dos disjuntor da linha
rl2 Lançamento da pausa para retorno do relé de mínimo de tensão
rl3 Falha no fecho do(s) disjuntor(es) da linha
rl4 Fim da pausa para retorno do relé de mínimo de tensão
rec1 Reposição de tensão por comando exterior
rec2 Todas as opções de religação encontram-se indisponíveis
Na Tabela 4.2 encontram-se expressas apenas as condições necessárias para a
transposição das transições. É no entanto necessária a tradução destas em predicados
constituídos pela composição de variáveis lógicas. Apresenta-se assim na Tabela 4.3 os
predicados associados às transições do AOR.
35
Tabela 4.3 - Predicados associados às transições do AOR
Predicados das Transições
rt1 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅. 𝑡𝑓𝑣1
rt2 𝑜𝑝𝑟𝑒𝑐1
rt4 𝑐𝑟𝑒𝑐1
rb1 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅. 𝑐𝑝𝑏𝑜𝑘
rb2 𝑜𝑝𝑟𝑒𝑐1
rb4 𝑐𝑟𝑒𝑐1
rl1 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅. 𝑙𝑓𝑣
rl2 𝑜𝑝𝑟𝑒𝑐1
rl3 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅. 𝑙𝑓𝑓
rl4 𝑐𝑟𝑒𝑐1
rec1 𝑐𝑢9
rec2 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅. (𝑐𝑝𝑏𝑜𝑘̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ + 𝑐𝑖𝑛𝑡𝑑𝑢1̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅). (𝑡𝑓𝑣1̅̅ ̅̅ ̅̅ + 𝑐𝑖𝑛𝑡𝑑𝑢2̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅). (𝑙𝑓𝑣̅̅ ̅̅ + 𝑐𝑖𝑛𝑡𝑑𝑢7̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅)
Legenda:
Cu9 – Tensão na barra normal, 𝑈 ∈ [𝑈𝑚𝑖𝑛; 𝑈𝑚𝑎𝑥]
t(x)fv1 – Disjuntor x ligável, em que 𝑥 ∈ {𝐴𝑇, 𝑀𝑇}, podendo a forma ser expansível
nos diversas variáveis que determinam a capacidade de fecho do disjuntor
oprec1 - 𝑡𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜; Lançamento da pausa para retorno do relé de mínimo de tensão
crec1 - 𝐹𝑡𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜; Fim da pausa para retorno do relé de mínimo de tensão
cintdu1 – 𝜇(B1) = 1; Barra em serviço
cintdu2 – 𝜇(T3) = 1; Transformador Religável
cintdu7 - 𝜇(L4) = 1; Linha Fora de Serviço mas Religável
cpbok – disjuntor interbarras ligável
l(x)fv – disjuntor de linha x ligável, em que 𝑥 ∈ {1, 2}, determinando os disjuntores
dos dois extremos da linha.
l(x)ff – falha no fecho do disjuntor de linha x, em que 𝑥 ∈ {1, 2}, determinando os
disjuntores dos dois extremos da linha.
Encontram-se assim definidos os blocos principais de todos os AOR existentes. A RdP aqui
apresentada, representa um automatismo genérico para um nó com três opções distintas de
realimentação. No entanto, cada um destes módulos pode ser replicado ou subtraído
consoante a as diferentes opções topológicas de cada CN. Esta facilidade de adaptação do
automatismo representa uma das suas principais vantagens, permitindo a sua utilização para
uma qualquer rede, independentemente da sua configuração, ou ainda a sua expansão ou
redução perante uma remodelação da rede, sem a necessidade de restruturar totalmente o
automatismo.
36
4.2.3 Resolução de Conflitos
Após a inicialização do AOR, partindo da condição RECA, verifica-se um conflito entre as
transições rec1, rec2, rt1, rb1 e rl1. A resolução deste conflito entre transições é feita através
dos predicados das mesmas. Os predicados enunciados na Tabela 4.3 apenas traduzem as
condições estruturais para que seja possível efetivar uma operação sobre o equipamento.
Deste modo, é sempre necessário definir parâmetros adicionais que permitam a resolução
dos conflitos.
Tal como foi referenciado na secção 3.3.3, existem diversos critérios que tornam
preferenciais certas ligações a outras, das quais se apresentam algumas a título de exemplo:
1. Ordem de preferência pré-definida: por exemplo, só é ligado o disjuntor
interbarras se a ligação ao transformador estiver indisponível ou não for efetuada
com sucesso, e só é efetuada a ligação da linha de interligação caso as duas
opções anteriores não sejam possíveis. Poderão ainda ser definidas contingências
ou planos de ação no caso da falha de um equipamento em particular.
2. Distância eléctrica à alimentação: Caso seja possível conhecer a distância
eléctrica à alimentação, a ordem de preferência poderá ser ajustada de modo a
tentar realimentar pela menor distância possível de modo a diminuir as perdas e
minimizar as quedas de tensão.
3. Percentagem de Carga: Tendo por base o conhecimento da carga alimentada pelo
CN a ser realimentado antes da ocorrência do defeito, é útil saber se a fonte
alternativa tem capacidade de alimentar a totalidade da carga e, caso haja várias
alternativas com essa possibilidade, qual delas apresentaria um melhor rendimento,
tendo em vista uma maior estabilidade do SEE.
Com o objectivo de exemplificar a resolução de conflitos entre transições define-se agora os
predicados das transições rt1, rb1 e rl1 do AOR da Figura 4.3, tendo em consideração um
critério de ordem pré-definida: 1.º Transformador, 2.º Interbarras, 3.º Linha (Tabela 4.4).
Tabela 4.4 – Predicados associados à escolha de realimentação pré-definida
Predicados das Transições
rt1 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅. 𝑡𝑓𝑣1
rb1 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅. 𝑐𝑝𝑏𝑜𝑘. (𝑐𝑖𝑛𝑡𝑑𝑢2. 𝑐𝑡𝑣1̅̅ ̅̅ ̅̅ + 𝑐𝑖𝑛𝑡𝑑𝑢4 + 𝑐𝑖𝑛𝑡𝑑𝑢3)
rl1 (𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅. 𝑙𝑓𝑣). (𝑐𝑖𝑛𝑡𝑑𝑢2. 𝑐𝑡𝑣1̅̅ ̅̅ ̅̅ + 𝑐𝑖𝑛𝑡𝑑𝑢4 + 𝑐𝑖𝑛𝑡𝑑𝑢3). (𝑐𝑝𝑏𝑜𝑘̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ . 𝑐𝑖𝑛𝑡𝑑𝑢1 + 𝑐𝑖𝑛𝑡𝑑𝑢5
+ 𝑐𝑖𝑛𝑡𝑑𝑢6)
Legenda:
cintdu3 – 𝜇(T4) = 1; Transformador fora de serviço por falta de 𝑈𝐴𝑇
cintdu4 – 𝜇(T2) = 1; Transformador fora de serviço por avaria
cintdu5 – 𝜇(B3) = 1; Barra Religável
cintdu6 – 𝜇(B2) = 1; Barra fora de serviço
37
4.3 Automatismo de Gestão da Auto-Cicatrização (GAC)
4.3.1 Descrição do Automatismo
Na secção 4.2 foi detalhado o funcionamento do AOR, no entanto, para uma rede com N Nós
existem N AORs, sendo assim necessário um mecanismo de encravamento e decisão que
controle o funcionamento dos AOR tendo em consideração a topologia dinâmica da rede. É
nesta perspectiva que surge o automatismo de Gestão da Auto-Cicatrização (GAC).
O GAC é composto por dois componentes principais, o Controlo de CP e a Decisão de
Realimentação. O Controlo de CP efetua a análise topológica da rede, permitindo assim
determinar quais os Nós que se encontram interligados. A Decisão de Realimentação,
partindo da análise topológica efetuada e através da parametrização dos critérios de
realimentação, efetua a decisão de qual o AOR a inicializar e a efetuar a operação de
recurso, de modo a restaurar a alimentação do CP.
Tal como o AOR, também o GAC tem uma estrutura modular, permitindo a fácil adaptação
do automatismo a qualquer rede bem como à sua alteração.
O Controlo de CP é constituído por N módulos, em que N é o número total de CNs da rede.
Cada módulo representa o estado do respectivo CN, gerindo o CP do mesmo. Quando um
Nó se encontra sem alimentação e no estado religável, o módulo determina qual o CP
atribuído ao Nó e regista o pedido de realimentação para a componente de Decisão de
Realimentação.
A Decisão de Realimentação é constituída por N módulos, em que N é o número total de
CNs da rede. Cada módulo representa o estado de um CP e decide sobre qual dos CNs
pertencentes ao mesmo será efetuada a operação de recurso por parte do respectivo AOR.
Cada um dos módulos é inicializado quando o número de pedidos provenientes do Controlo
de CP for igual ao número de Nós pertencentes ao CP. Encontra-se assim garantida a
Condição 2.1, isto é, que apenas se efetua a realimentação de um Nó ou conjunto de Nós se
todos eles tiverem sido ressalvados como religáveis. Após a sua inicialização é efetuada a
escolha de qual o AOR a inicializar, assegurando assim a Condição 3.2. Consoante o
resultado da operação do AOR, com ou sem sucesso, o módulo finaliza a sua ação,
regressando ao estado de repouso ou reinicializando o processo de decisão.
4.3.2 Interpretação da Rede de Petri
A complexidade e dimensão da RdP do GAC é proporcional à dimensão da rede eléctrica
que o automatismo controla. Sendo a RdP modular, tem lugares e transições semelhantes,
variando apenas o elemento da rede a que estes se referem. Deste modo é conveniente a
adopção de um método sistematizado de rotulagem das transições e lugares. Na Tabela 4.5
encontra-se o sistema adoptado para todos os autómatos e automatismos.
38
Tabela 4.5 – Legendas utilizadas para identificação de lugares e transições
Descrição Exemplo
O primeiro algarismo identifica o AOR a que se referem os
lugares e transições, o 2º e o 3º (caso aplicável) os CN aos
quais se vai efetuar a ligação, por fim o último elemento
identifica o nome da transição ou lugar. (Utilização: AORs)
O primeiro algarismo indica o CP a que se refere os lugares e
transições, o segundo o CN e o terceiro elemento identifica o
nome da transição ou lugar. (Utilização: GAC – Dec. de Real.)
O primeiro algarismo identifica o CN a que se referem os
lugares e transições e o último elemento identifica o lugar ou
transição. (Utilização: GAC – Controlo CP)
O primeiro elemento identifica o CP de referência e o ultimo o
lugar ou transição em causa. (Utilização: GAC)
Na Figura 4.4 encontra-se representada a RdP de um módulo do Controlo de CP. Este
módulo representa um CN com identificador 3 (CN3). A preto, encontra-se a estrutura
principal de cada módulo e a cinzento as extensões ao módulo, dependendo dos diversos
identificadores de CP que este poderá ter. Por fim, a tracejado encontra-se o lugar
pertencente ao autómato que modela o estado do Nó (B3 – Barramento Religável).
A condição inicial do automatismo é representada pelo lugar CTRL. Quando o Nó se
encontra sem alimentação e é ressalvado como religável, é determinado qual o CP em que o
Nó se encontra, evoluindo para um dos lugares CP(x), sendo efetuado o registo de
necessidade de realimentação.
Os lugares intermédios CP(x)C indicam um estado de espera para confirmação do CP. Após
a ocorrência e isolamento de um defeito, poderão ocorrer variações na topologia da rede que
poderão levar a uma alteração dos identificadores de CP. Deste modo é necessária uma
pausa para confirmar a ocorrência ou não dessa alteração.
39
Figura 4.4 – Rede de Petri interpretada do Controlo de CP (GAC)
Caso o identificador de CP esteja incorreto, a RdP evolui no sentido inverso, por intermédio
das transições cp(x)f e cpn(x) e elimina o pedido de realimentação no lugar CP(x)U. Na
Tabela 4.6 descreve-se a semântica associada a cada lugar e transição da RdP.
Tabela 4.6 - Interpretação da RdP do Controlo de CP (Figura 4.4)
Semântica dos Lugares
CTRL Condição inicial do módulo de Controlo de CP
CP(x)C Confirma identificador x de CP
CP(x)U Elimina pedido de realimentação
CP(x) CN pertencente ao CPx e em condições de ser realimentado
Semântica das Transições
cp(x) U(CN[x]) = 0; CN pertence ao CP x; Lançamento de pausa de confirmação do identificador de CP.
cp(x)s Fim da pausa de confirmação do identificador de CP
cp(x)f U(CN[x]) = 0; CN não pertence ao CP x.
cpn(x) Pedido de realimentação eliminado
Na Tabela 4.7 encontram-se os predicados que traduzem as condições de transposição das
transições indicadas na Tabela 4.6.
Tabela 4.7 - Predicados associados às transições do Controlo de CP
Predicados das Transições
cp(x) 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅ . 𝑐𝑛(y)𝑐𝑝(x). 𝑜𝑝𝑐𝑝
cp(x)s 𝑐𝑐𝑝
cp(x)f 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅ . 𝑐𝑛(y)𝑐𝑝(x)̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅
40
Legenda:
cn(y)cp(x) – CN y pertence ao CP x
opcp – tcpid; Lançamento da pausa de confirmação do identificador de CP
ccp – Ftcpid; Fim da pausa de confirmação do identificador de CP
Na Figura 4.5 apresenta-se a RdP interpretada de um módulo da Decisão de Realimentação,
representando, neste caso, o controlo de realimentação do CP com identificador 1. A preto
encontra-se representada a estrutura fundamental do módulo (o CP1 poderá ter no mínimo
um CN associado), a cinzento encontram-se expansões possíveis ao módulo, através da
introdução de novos CNs na rede, neste caso CN2 e CN3. A tracejado encontram-se os
elementos associados ao Controlo de CP e autómatos de modelação do estado dos CN.
Figura 4.5 – Rede de Petri interpretada da Decisão de Realimentação (GAC)
A condição inicial ou estado de repouso do módulo encontra-se representada pelo lugar
CP(x).END. Após a ocorrência e isolamento do defeito e posterior análise topológica de
todos os Nós sem alimentação, a Decisão de Realimentação é inicializada através da
transição CP(x).rec e marcação do lugar CP(x).REC.
A decisão de qual dos Nós irá efetuar a realimentação de todo o CP é feita através da
resolução do conflito entre as transições 1.1.rec, 1.2.rec e 1.3.rec, que representam a
decisão de realimentar o CP através do Nó CN1, CN2 e CN3 respectivamente, através da
ativação do AOR correspondente.
41
A resolução do conflito entre 1.1.rec, 1.2.rec e 1.3.rec, poderá, na realidade, não ser entre as
três transições, mas sim entre apenas duas ou eventualmente não existir conflito, uma vez
que só poderão ser ativadas as transições cujo CN associado se encontre com o
identificador de CP que o módulo representa. No entanto, é imperativo que em cada módulo
se encontrem representados todos os CNs que poderão eventualmente possuir o
identificador de CP do mesmo.
Os lugares posteriores indicam que a operação de recurso se encontra em curso, isto é, o
AOR do Nó escolhido ainda não completou todas as suas operações. As transições 1.1.s,
1.2.s, 1.3.s, 1.1.f, 1.2.f e 1.3.f, representam respectivamente o sucesso e insucesso da
operação de recurso por parte dos diferentes AORs. Caso a operação seja concluída com
sucesso, tanto a Decisão de Realimentação como o Controlo de CP regressam ao seu
estado de repouso, caso a operação tenha sido concluída com insucesso o processo de
Decisão de Realimentação é reinicializado através da ativação da condição CP(x).REC.
Na Tabela 4.8 encontra-se a semântica de cada lugar e transição da RdP da Figura 4.5.
Tabela 4.8 - Interpretação da RdP da Decisão de Realimentação (Figura 4.5)
Semântica dos Lugares
(x).END Automatismo em Repouso / Fim da Auto-Cicatrização
(x).(y).REC Operação de Recurso (AOR) em curso
CP(x).REC Condição inicial da Decisão de Realimentação
Semântica das Transições
(x).(y).ret Nó y pertencente ao CP x em tensão U(CN[y]) > 0
CP(x).rec Todos os Nós do CP(x) pediram realimentação
(x).(y).rec Ativação do AOR do Nó y pertencente ao CP x
(x).(y).s Sucesso na OR do AOR do Nó y pertencente ao CP x
(x).(y).f Insucesso na OR do AOR do Nó y pertencente ao CP x
Na Tabela 4.9 encontram-se os predicados que traduzem as condições de transposição das
transições indicadas na Tabela 4.8.
Tabela 4.9 - Predicados associados às transições da Decisão de Realimentação
Predicados das Transições
(x).(y).ret 𝑐𝑢9 . 𝑐𝑛(y)𝑐𝑝(x)
CP(x).rec 𝑐𝑝(𝑥)𝑎𝑙𝑙
(x).(y).rec 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅ . 𝑐𝑛(y)𝑐𝑝(x)
(x).(y).s 𝑐𝑢9
(x).(y).f 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅
42
Legenda:
cn(y)cp(x) – CN(y) com o identificador CP(x)
cp(x)all – Todos os elementos pertencentes ao CP(x) efetuaram pedidos de
realimentação
A variável cp(x)all é uma variável composta e dinâmica, e tem como objectivo a certificação
de que todos os CNs pertencentes ao CP em questão se encontram é condições de ser
realimentados, isto é, efetuaram pedidos de realimentação, o que corresponde à presença
de um token no lugar y.CP(x) do Controlo de CP. Uma vez que a composição é dinâmica,
esta relação não pode ser explícita através de RdP. A variável em questão é assim dada por:
𝑐𝑝(𝑥)𝑎𝑙𝑙 = ∏ (𝑐𝑛(𝑦)𝑐𝑝(𝑥)̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅ + 𝑐𝑖𝑛𝑡𝑑𝑢8(𝑦))
𝑁
𝑦=1
Em que:
cintdu8(y) - 𝜇(y.CP(x)) = 1; CN(y) pertencente ao CP(x) pede realimentação
Na Figura 4.6 encontra-se representada a RdP total do GAC para um sistema de três CNs,
mostrando assim a relação entre os diversos módulos da Decisão de Realimentação e do
Controlo de CP. Foram no entanto omitidas da figura, por uma questão de simplificação e
representação, todas as ligações a outros automatismos (AORs) ou autómatos (B, T, L), bem
como os lugares transitórios do Controlo de CP: CP(x)C e CP(x)U.
Figura 4.6 – Rede de Petri interpretada da Gestão da Auto-Cicatrização (GAC)
A rede é constituída por três módulos de Controlo de CP e três módulos de Decisão de
Realimentação, construídos segundo os princípios enunciados anteriormente.
43
Importa no entanto destacar dois pontos relativamente à construção da rede global do GAC e
à constituição de cada um dos módulos:
A RdP global e cada um dos módulos foram definidos a partir do princípio da
propagação do menor identificador de CP para todos os CNs pertencentes ao
mesmo, tal como definido na secção 3.2. Partindo deste princípio, o número de
elementos de cada módulo do Controlo de CP é crescente com o identificador do CN
que este representa e o número de elementos de cada módulo da Decisão de
Realimentação é decrescente com o identificador de CP que este representa.
Esta dependência direta com o sistema de identificação de CP utilizado, leva a que
diferentes abordagens possam originar diferentes RdP para o GAC. No entanto
qualquer que seja a abordagem, poderá ser sempre representada pela junção dos
módulos definidos anteriormente, desde que corretamente especificados:
Cada módulo do Controlo de CP deverá considerar todos os identificadores
de CP que o CN ao qual o módulo se refere pode obter.
Cada módulo da Decisão de Realimentação deverá contemplar todos os
CNs que poderão eventualmente pertencer ao CP que o módulo representa.
Naturalmente, diferentes metodologias de identificação de CPs poderão conduzir a
RdP mais ou menos complexas. No curso deste trabalho considerou-se sempre que
o identificador de CP corresponde ao mínimo identificador de CN pertencente ao CP
em causa, uma vez que permite a fácil compreensão da evolução dos estados, bem
como uma sistematização simples das RdP construídas.
A RdP global do GAC não reflete explicitamente que tipo de elemento da rede cada
CN representa (barramento, linha, ...), essa diferenciação é feita ao nível dos
autómatos dos elementos e dos AOR. A unificação dos diferentes elementos numa
única representação de CN permite a completa modularização do GAC, facilitando
deste modo a sua representação, bem como possíveis alterações a uma RdP
existente (inclusão de novos elementos na rede ou substituição dos já existentes).
4.4 Automatismo Completo da Auto-Cicatrização
A construção global do automatismo de Auto-Cicatrização efetua-se através da junção dos
diversos automatismos anteriormente apresentados: GAC e vários AOR. A estes
automatismos são ainda ligados todos os autómatos de modelação de barramentos, linhas e
transformadores, bem como os automatismos próprios da ligação e desligação de
equipamentos (transformadores, disjuntores e seccionadores). No Anexo C, apresentam-se
as RdP dos diferentes automatismos e a RdP completa para um sistema de três CNs.
44
4.4.1 Integração entre GAC e AORs
O automatismo GAC serve unicamente de controlo da realimentação dos diferentes CPs,
determinando qual o CN que efetuará a realimentação. Esta decisão é então traduzida
através da ativação de um dos diferentes lugares [x].[y].REC (ver Figura 4.5 e Tabela 4.8).
Aquando da ativação deste lugar (transição [x].[y].rec), é também inicializado o AOR
correspondente: lugar [y].RECA. Após o término da ação do AOR é necessária a verificação
do resultado da operação: com sucesso ou com insucesso. Do lado do AOR, esta condição é
traduzida na ativação dos lugares [y].AOR.SUC e [y].AOR.FAIL respectivamente. Do lado do
GAC a continuidade da ação é feita através das transições [x].[y].s e [x].[y].f. (ver Figura 4.3 e
Tabela 4.2).
Os lugares do AOR são assim pós-condições e pré-condições das transições do GAC tal
como se encontra representado na Figura 4.7. Deste modo, a integração dos dois
automatismos é feita, colocando em paralelo cada AOR com o lugar [x].[y].REC
correspondente.
Figura 4.7 – Interação entre o GAC (módulo CP1) e o AOR (RdP simplificada)
A Figura 4.7 mostra a interação entre o AOR (simplificado) do CN1 e o módulo do CP1 da
Decisão de Realimentação do GAC.
Caso existam mais opções de religação no módulo (ver Figura 4.5), cada uma destas fará as
conexões necessárias aos respectivos AORs, à semelhança do apresentado na Figura 4.7.
(ver Figura C.5).
45
4.4.2 Integração dos autómatos modeladores
Os autómatos modeladores são integrados na RdP da Auto-Cicatrização em duas situações
distintas: No GAC, ao nível do Controlo de CP, em que é feita a verificação da condição
“Religável” dos diferentes CNs e posteriormente, em caso de sucesso, a passagem ao
estado “Em Serviço”, e ainda nos AOR, em que é feita a verificação do estado “Em Serviço”
dos barramentos a serem recorridos, bem como a verificação do estado religável dos
equipamentos sobre os quais são feitas operações de ligação. (ver Figura C.4)
Na Tabela 4.10 encontram-se os diferentes tipos de autómatos modeladores e a sua relação
com os diferentes automatismos.
Tabela 4.10 - Relação entre autómatos modeladores e automatismos
Autómato Automatismos Operações GAC Operações AOR
Barramento GAC / AOR Verificação /
Alteração Verificação
Linha GAC / AOR Verificação /
Alteração Verificação /
Alteração
Transformador AOR - Alteração
4.4.3 Análise Estrutural das Redes de Petri
Nesta secção são apresentadas as análises estruturais aos diversos componentes do
automatismo bem como uma análise global do mesmo. A verificação das propriedades
estruturais das RdP apresentadas neste capítulo tem como objectivo analisar de uma forma
metódica o correto funcionamento lógico do automatismo. Naturalmente estas propriedades
apenas asseguram a correção do domínio de controlo, nomeadamente ao nível de potenciais
deadlocks. A verificação do domínio operacional não é possível através de uma metodologia
matemática, estando principalmente dependente da interpretação de cada RdP. (ver Capítulo
2).
Numa primeira abordagem serão analisados os automatismos separadamente, em conjunto
com os autómatos modeladores correspondentes. Por fim será efetuada uma análise ao
automatismo global, em que serão integrados o GAC, AORs e autómatos modeladores.
Uma vez que a dimensão e complexidade da RdP é fortemente dependente da rede eléctrica
que pretende controlar, serão testados diferentes automatismos representativos de redes
com variadas complexidades, permitindo não só validar matematicamente o automatismo,
como também apreciar a evolução da sua complexidade.
Nesta secção serão apenas apresentados os principais resultados e conclusões das
diferentes análises estruturais efectuadas. A descrição completa das redes e RdP utilizadas
encontram-se no Anexo C.
46
Automatismo de Operação de Recurso (AOR)
A análise estrutural do AOR foi e efetuada com base na RdP da Figura C.2, contendo esta
dois módulos de ligação de linhas, um módulo de interbarras e um módulo de ligação do
transformador. Para proceder à análise deste automatismo, foram adicionadas duas
transições auxiliares aux1 e aux2, de modo a permitir a reinicialização do mesmo.
Na (Tabela C.2) encontram-se as propriedades dinâmicas da RdP, bem como os invariantes
de lugares e transições. A análise dos mesmos permite a verificação do correto
funcionamento do automatismo.
Os invariantes de lugar 1 a 6 da (Tabela C.2) estão unicamente relacionados com a
interação do AOR com os autómatos modeladores (B, T e L) necessários para cada um dos
módulos, o invariante 7 encontra-se relacionado com o funcionamento do AOR.
O invariante 7, constitui um invariante global, incluindo todos os lugares pertencentes ao
AOR, verificando-se assim a impossibilidade de ligação de diferentes fontes alternativas de
forma simultânea, mesmo que estas se encontrem disponíveis. Este facto conduz à
satisfação parcial da Condição 3.2, i.e. que cada circuito só poderá ter um único ponto de
alimentação, mantendo assim a topologia de exploração radial.
Adicionalmente podemos ainda deduzir que, dada a estrutura modular do AOR, o
automatismo apresentará sempre um invariante global independentemente do número de
módulos acopulados ao AOR, estando assim, sempre garantido o seu correto
funcionamento.
O paralelismo e exclusão mútua entre os diversos módulos pode ainda ser verificado através
da análise dos invariantes de transições. Os invariantes presentes na Tabela 4.11
representam as diversas sequências que o automatismo poderá tomar até à sua
reinicialização. Os restantes invariantes presentes na Tabela C.2 são referentes apenas a
transições dos autómatos modeladores.
Tabela 4.11 – Invariantes de Transições do AOR
Invariantes de Transições (abreviado)
1. {1.rt1} {1.rt3} {1.rt5} {1.t1} {1.t4} aux2 2. aux2 rec2 3. {1.rt1} {1.rt2} {1.rt4} {1.t4} aux1 4. aux1 rec1 5. {2.l1} {2.l3} {2.l6} {2.rl1} {2.rl3} {2.rl5}
aux2 6. {2.l3} {2.l5} {2.l7} {2.rl1} {2.rl2} {2.rl4}
aux1 7. {2.l3} {2.l6} {2.rl1} {2.rl2} {2.rl4} aux1 8. {2.l2} {2.l7} {2.rl1} {2.rl2} {2.rl4} aux1 9. {2.l7} {2.rl1} {2.rl3} {2.rl5} aux2
10. {3.l1} {3.l3} {3.l6} {3.rl1} {3.rl3} {3.rl5} aux2
11. {3.l3} {3.l5} {3.l7} {3.rl1} {3.rl2} {3.rl4} aux1
12. {3.l3} {3.l6} {3.rl1} {3.rl2} {3.rl4} aux1 13. {3.l2} {3.l7} {3.rl1} {3.rl2} {3.rl4} aux1 14. {3.l7} {3.rl1} {3.rl3} {3.rl5} aux2 15. {6.rb1} {6.rb2} {6.rb4} aux1 16. {6.rb1} {6.rb3} aux2
Os invariantes 1 e 3 representam o recurso ao transformador, com e sem sucesso. Os
invariantes 5 a 14 representam o recurso a uma das duas ligações de linhas possíveis, com
47
e sem sucesso. O aparecimento de vários invariantes para cada uma das situações advém
das diferentes sequências de acontecimentos que levaram o autómato de linha ao estado L4.
Os invariantes 15 e 16 dizem respeito à realimentação através do fecho do disjuntor
interbarras, com e sem sucesso.
Por fim, os invariantes 2 e 4, representam a inexistência de alternativas de realimentação ou
o restabelecimento da alimentação por parte do operador.
Automatismo de Gestão da Auto-Cicatrização (GAC)
A análise estrutural do GAC foi efectuada sem recurso a lugares ou transições auxiliares e
sem ter em conta os autómatos modeladores, estes elementos serão tidos em conta
aquando da análise do automatismo completo.
Apresentam-se de seguida os invariantes calculados no Anexo C.2, para uma rede com três
nós:
1. {1.1.REC} {1.2.REC} {1.3.REC} {CP1.END} {CP1.REC}
2. {2.2.REC} {2.3.REC} {CP2.END} {CP2.REC}
3. {3.3.REC} {CP3.END} {CP3.REC}
4. {1.1.REC} {1.CP1} {1.CP1C} {1.CP1U} {1.CTRL}
5. {1.2.REC} {2.2.REC} {2.CP1} {2.CP1C} {2.CP1U} {2.CP2} {2.CP2C} {2.CP2U}
{2.CTRL}
6. {1.3.REC} {2.3.REC} {3.3.REC} {3.CP1} {3.CP1C} {3.CP1U} {3.CP2} {3.CP2C}
{3.CP2U} {3.CP3} {3.CP3C} {3.CP3U} {3.CTRL}
Os três primeiros invariantes são respeitantes ao módulo de Decisão de Realimentação de
cada um dos CPs, 1 a 3 respectivamente. A presença de todos os lugares x.y.REC
existentes em cada módulo da Decisão de Realimentação permite a conclusão de que
apenas será inicializado o AOR de um dos diferentes nós presentes no CP. Esta conclusão,
conjuntamente com o enunciado aquando da análise estrutural do AOR, conduz à satisfação
completa da Condição 3.2.
Os invariantes 4, 5 e 6 estão relacionados com cada um dos nós do GAC (CN1, CN2 e CN3
respectivamente). De cada um dos invariantes é possível retirar duas conclusões
fundamentais ao funcionamento do GAC:
A presença dos lugares CP1, CP2 e CP3 leva à conclusão de que cada Nó só pode
ser considerado como pertencente a um e um único CP.
A presença dos lugares 1.x.REC, 2.x.REC e 3.x.REC leva a um corolário da
conclusão anterior: o AOR de cada um dos CNs não é passível de ser inicializado
simultaneamente por dois módulos diferentes da Decisão de Realimentação.
48
Automatismo de Auto-Cicatrização (Completo)
Para a análise estrutural do automatismo de Auto-Cicatrização foi utilizada uma rede
constituída por dois barramentos CN1 e CN2, interligados por uma linha MT CN3 e
alimentados pelos transformadores T1 e T2 respectivamente (Figura C.3).
A análise estrutural revelou a existência de 24 invariantes de lugares e 78 invariantes de
transições. Estes invariantes incluem os já anteriormente discutidos nas análises estruturais
do GAC e dos AOR, bem como novos invariantes que permitem o estabelecimento de
relações entre os diversos automatismos e autómatos.
Para além dos invariantes já explanados anteriormente é importante referir alguns dos
invariantes que estabelecem as relações entre os diferentes automatismos e autómatos.
O invariante 22, engloba os módulos da linha CN3 dos diferentes AOR, bem como os
diferentes lugares de inicialização e finalização dos diferentes AOR e módulos do GAC, o
que leva à conclusão que, ainda que manobrável por diferentes automatismos, o seu fecho
só poderá ser efetuado por um dos AOR. O invariante ao incluir os lugares CP1.REC,
CP2.REC e CP3.REC permite ainda verificar que os diferentes módulos de linha só serão
utilizados se pelo menos um dos barramentos não estiver com a operação de restauro em
curso.
Esta conclusão é ainda verificável através dos invariantes 3 e 7, referentes à interação dos
barramentos CN1 e CN2 com diferentes módulos dos AOR:
{1.1-3.RL1} {1.1-3.RL2} {1.1-3.RL3} {1.1.RT1} {1.1.RT2} {1.1.RT3} {1.AOR.FAIL}
{1.AOR.SUC} {1.B1} {1.B2} {1.B3} {1.CP1} {1.CP1C} {1.CP1U} {1.RECA} {2.2-3.RL1}
{2.2-3.RL2} {2.2-3.RL3} {3.3-1.RB1} {3.3-1.RB2}
{1.1-3.RL1} {1.1-3.RL2} {1.1-3.RL3} {2.2-3.RL1} {2.2-3.RL2} {2.2-3.RL3} {2.2.RT1}
{2.2.RT2} {2.2.RT3} {2.AOR.FAIL} {2.AOR.SUC} {2.B1} {2.B2} {2.B3} {2.CP1}
{2.CP1C} {2.CP1U} {2.CP2} {2.CP2C} {2.CP2U} {2.RECA} {3.3-2.RB1} {3.3-2.RB2}
Como podemos verificar, no invariante do barramento CN1, em que se incluem os lugares
1.B1, 1.B2 e 1.B3, encontra-se também representado o módulo de realimentação do CP2 por
intermédio da linha CN3, representado pelos lugares 2.2-3.RL1, 2.2-3.RL2 e 2.2-3.RL3.
Apesar do módulo não se encontrar diretamente relacionado com o barramento CN1, é
imposta a condição de que nenhum dos restantes processos relativos ao barramento CN1
possa estar ativo. Este facto resulta do tratamento diferencial de realimentações entre
barramentos por intermédio de um disjuntor interbarras ou por intermédio de uma linha,
obrigando à dupla verificação do caminho para a alimentação: Linha religável e barramento
em serviço.
A mesma situação pode ser verificada no segundo invariante, desta vez para o barramento
CN2, bem como no invariante 11 para a linha CN3.
49
Além da interpretação dos invariantes de lugar e invariantes de transições efetuados, foram
ainda verificadas com sucesso, em todas as redes, as seguintes propriedades essenciais à
modelação de controladores em RdP:
Deadlock-Free;
Vivacidade
Segurança
Reinicialização
Limitada
50
5 Considerações sobre a implementação
No presente capítulo discutem-se as opções possíveis de implementação do automatismo
descrito anteriormente. Não sendo efetuada a aplicação do sistema em ambiente
laboratorial, são no entanto discutidos os requisitos técnicos necessários à sua
implementação e as limitações das tecnologias existentes.
Não se tem como objectivo a demonstração prática de todo o sistema, mas sim uma
validação sustentada da existência de meios capazes de implementar o automatismo de
Auto-Cicatrização proposto, ao nível de controladores lógicos, protocolos e tecnologias de
comunicações.
Serão utilizadas como base as metodologias e conclusões das dissertações de mestrado dos
Engenheiros Rui Parreira e David Cerdeira, “Implementação Normalizada de Automatismos
de Subestações de Energia especificados por Redes de Petri” [4] e “Smart Grids -
Implementação Distribuída, em Arquiteturas 61850 em Subestações de Energia, de
Automatismos Programados segundo a norma 61131-3” [3], sendo ainda apresentadas
considerações finais relativamente às tecnologias de comunicação atualmente existentes
bem como as adaptações necessárias para a sua aplicação.
5.1 Implementação Normalizada
Tendo como base deste a trabalho a descrição de um sistema de Auto-Cicatrização genérico
capaz de operar ao nível da rede, interagindo com equipamentos de diversos fabricantes,
tem-se como objectivo primário a adopção de arquiteturas assentes em normas
internacionais, tanto ao nível das linguagens de programação de autómatos como ao nível
dos protocolos de comunicações.
5.1.1 CEI 61131
A norma CEI 61131 – “Programmable Controllers” surgiu em 1993 com o objectivo de
uniformizar o ambiente de programação de PLCs, fornecendo um conjunto de requisitos de
compatibilidade para os novos sistemas de programação de autómatos, tanto ao nível de
hardware como de software.
A norma é composta por oito partes distintas, sendo a mais relevante para este trabalho a
parte três (61131-3) onde são descritas as linguagens de programação de autómatos,
constituídas por duas linguagens gráficas: Ladder e SFC – GRAFCET e duas linguagens
textuais: Instruction List (IL) e Structured Text (ST), na Figura 5.1 encontram-se exemplos
das quatro linguagens descritas pela CEI 61131-3.
A norma CEI 61131-3 não consiste num conjunto rígido de regras a que todos os fabricantes
terão necessariamente que obedecer de modo a serem compatíveis, mas sim um guia para a
programação de PLCs devendo cada fabricante fornecer na sua documentação que partes
da norma são compatíveis, que partes não se encontram implementadas e que partes são
incompatíveis.
51
Ladder Diagram (LD) Sequential Function Chart (SFC-GRAFCET)
Structured Text (ST) Instruction List (IL)
Figura 5.1 – Linguagens da Norma CEI 61131-3 (adaptado de [3])
5.1.2 CEI 61850
A norma CEI 61850 - “Communication Networks and Systems in Substations” surgiu em
2003 com o objectivo de criar um protocolo de comunicações normalizado baseado em
Ethernet que permitisse a interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes
conectados a uma mesma rede de comunicações.
Na parte 7-2 da CEI 61850 – “Abstract Communication Service Interface (ACSI)” é definido
um serviço de comunicação: as mensagens GOOSE – “Generic Oriented Object Substation
Event”, que permitem a transmissão de vários tipos de informação pelos diversos
dispositivos físicos da rede. Este serviço é do tipo “anunciação”, baseado no princípio
escritor/subscritor com comunicação peer-to-peer, permitindo por isso elevadas velocidades
de transmissão de dados, adequadas ao controlo e monitorização em tempo real.
Outra característica importante das GOOSE é o facto de serem mapeadas diretamente em
Ethernet (Layer 2 do Modelo OSI), evitando por isso a necessidade de processamento das
layers intermédias (Figura 5.2).
Figura 5.2 - Modelo OSI da CEI 61850 (extraído de [7])
52
5.2 Arquitetura do Sistema
Em [6] foi apresentada uma metodologia para implementação de funções de comando e
controlo para subestações especificadas em RdP sobre a CEI 61850, a qual foi parcialmente
implementada em [3] e [4].
Por forma a ultrapassar a complexidade de uma implementação direta de controladores de
RdP utilizando as mensagens GOOSE da CEI 61850, é proposta uma abordagem em que
todo o domínio de controlo das RdP é centralizado num Function Block (FB) executado num
controlador dedicado. Este controlador recebe os valores das variáveis necessárias ao seu
funcionamento, calculados de forma distribuída através de lógica proposicional nos diversos
DEIs e envia comandos de manobra para os equipamentos primários. As comunicações
entre o controlador centralizado e os DEIs são efetuadas por meio de mensagens GOOSE.
O sistema utiliza assim uma arquitetura mista, em que se encontra centralizado o
processamento num único controlador utilizando uma das linguagens da CEI 61131-3 e é
distribuída a criação dos predicados lógicos necessários ao seu funcionamento.
As informações necessárias para a criação dos predicados lógicos são comunicadas aos
diferentes DEIs de forma hardwired pelo equipamento primário na subestação, sendo
posteriormente pré-processadas e comunicadas via GOOSE ao controlador central. O
processo inverso é utilizado para comunicação dos comandos do controlador ao
equipamento primário. A ilustração desta metodologia encontra-se na Figura 5.3.
Figura 5.3 – Arquitetura: Automação e fluxo de informação
Com efeito, não existe a necessidade da criação de predicados de forma distribuída nos
diversos DEIs, no entanto, pode aproveitar-se a limitada lógica programável existente nos
mesmos para a optimização da capacidade de processamento do controlador das RdP.
Toda a arquitetura do sistema assenta assim nas duas normas fundamentais descritas
anteriormente, a CEI 61131 para a definição do controlador lógico e a CEI 61850 para a
definição de um sistema de comunicações configurável.
53
5.2.1 CEI 61850: Comunicações entre Subestações
Criada inicialmente com o intuito de estabelecer um standard para comunicações dentro da
subestação baseado em Ethernet LAN (Local Area Network), a primeira edição da CEI 61850
deixou de fora qualquer tipo de funções que por definição necessitam de estabelecer
comunicações entre subestações, nomeadamente funções de proteção diferencial e
teleproteção. Com o objectivo de colmatar esta necessidade foi publicada uma segunda
edição, que incluía a parte 61850-90-1 para comunicações entre subestações.
Atualmente, com o crescente desenvolvimento de sistemas de automação distribuída e
aumento das necessidades de transmissão de informação, encontram-se em
desenvolvimento novas partes da norma no formato de relatórios técnicos e não standards:
61850-90-2: “Using IEC 61850 between substations and control centres”
61850-90-5: “Using IEC 61850 for transmitting synchrophasor data, based on IEEE
C37.118”
61850-90-6: “Using IEC 61850 for distributed automation”
Mantendo o foco no objectivo deste trabalho, o problema consiste no desenho de uma
arquitetura capaz de suprimir as necessidades de comunicações essenciais ao
funcionamento do automatismo, mantendo simultaneamente tempos de transmissão
aceitáveis. Naturalmente que é impossível definir a priori qual a arquitetura de
telecomunicações a implementar, uma vez que seria necessário ter em consideração todos
os outros tipos de informação a transmitir no contexto de um SEE. Esse é um trabalho a
desenvolver por cada utility em particular, tendo em consideração o seu próprio sistema e
necessidades.
Podemos no entanto tecer considerações sobre a utilização da CEI 61850 nos diversos tipos
de redes de comunicações bem como identificar as suas limitações e benefícios. Será dado
especial foco sobre os sistemas mais comuns e sobre os quais incide grande parte da
investigação.
Uma das soluções mais estudadas atualmente é a utilização de WANs, proprietárias ou não,
para as diferentes utilities como backbone de uma rede de comunicações. A sua grande
capacidade de alcance e flexibilidade constitui um atrativo não só para comunicações no
âmbito da automação e controlo, mas também de todo e qualquer tipo de informação relativa
ao SEE, integrando as diversas subestações, centros de controlo e comando e centros
produtores.
O maior desafio é assim, a utilização dos serviços GOOSE da CEI 61850 através de uma
rede deste tipo, cumprindo todos os requisitos de segurança, largura de banda e velocidade
de transmissão.
Sendo as mensagens GOOSE definidas na CEI 61850 do tipo multicast (one-to-many)
mapeadas diretamente na layer 2 do modelo OSI (Ethernet) e portanto direcionadas para o
54
uso no interior de uma LAN, a sua utilização para comunicações externas levanta diversos
problemas:
A ethernet não é compatível com comunicações em larga escala.
A ethernet não é um protocolo mapeável.
Na Layer 2 as mensagens são direcionadas através da utilização de bridge tables,
constituídas por mac addresses dos diversos elementos da rede cuja população,
com elevadas quantidades de endereços, poderá destabilizar todo o sistema de
comunicações.
De facto, a transmissão de mensagens GOOSE para o exterior é limitada no interior da
própria LAN pelos routers da subestação. Os routers são dispositivos instalados na rede, que
examinam o tráfego de chegada e reencaminham a informação para o seu destinatário.
Parte da sua função é assim bloquear a transmissão em multicast/broadcast das mensagens
GOOSE para toda a WAN uma vez que impede o envio de qualquer mensagem que não seja
mapeada por IP.
Este problema é contornável através da utilização de técnicas que permitam o mapeamento
de mensagens GOOSE por IP:
Gateways – Utilizadas em sistemas que necessitem de baixa largura de banda, as
gateways funcionam como replicadores de informação, em que o remetente converte
a mensagem para o protocolo de transmissão, sendo esta posteriormente
reconvertida para o formato original no receptor. Uma vez que se trata de um
sistema de baixa largura de banda com necessidade de um equipamento específico
não é viável a sua utilização para a este estudo, estando sobretudo direcionada para
efeitos de teleproteção.
Tunneling / Encapsulation – Consiste na transmissão de informação criada
segundo um determinado protocolo que necessita de ser transmitida por um
protocolo diferente. A informação é encapsulada por cabeçalhos que permitam o seu
mapeamento, sendo posteriormente transmitida e reconvertida para o seu formato
original no ponto de chegada. Aplicada às mensagens GOOSE, consiste na adição
de IP headers que permitam o mapeamento da mensagem através da WAN, sendo
posteriormente reconvertida no seu formato original no interior da LAN de cada
subestação. O termo encapsulation refere-se ao processo de adição e subtração de
cabeçalhos mapeáveis, enquanto que o termo tunneling engloba este processo bem
como a criação de um caminho point-to-point para transmissão da informação. Os
processos mais comuns são o GRE (Generic Routing Encapsulation) Tunneling,
Layer 2 Tunneling Protocol e o MPLS (Multi Protocol Label Switching).
Ainda que existam soluções para a transmissão de mensagens GOOSE através da WAN, é
necessário assegurar que são cumpridos os requisitos de qualidade de serviço,
inclusivamente nos períodos de maior tráfego. Sendo as mensagens GOOSE baseadas no
55
principio escritor/subescritor, não existe hipótese de confirmar que uma mensagem enviada
por um determinado DEI foi recebida por todos os destinatários que subescreveram essa
informação. Com o objectivo de assegurar que todos os destinatários recebem uma
determinada informação, são enviadas múltiplas cópias da mesma mensagem com um
intervalo de tempo variável e parametrizável. Ao nível de mensagens críticas, estas são
enviadas a ritmo decrescente, começando tipicamente com intervalos de poucos
milissegundos, até 1 a 2 segundos.
Este facto, leva a uma proliferação do tráfego de mensagens por toda a rede de
comunicações, especialmente aquando da existência de defeitos e operações na rede, altura
em que os tempos de transmissão são especialmente críticos e o número de mensagens
aumenta em larga escala.
Assim, a reconfiguração dos routers e switches para permitir a transmissão deste tipo de
mensagens através de toda a rede, incluindo as diversas subestações, significa que uma
determinada mensagem publicada iria ser transmitida para todas as subestações e
equipamentos conectados, gerando um quantidade desnecessária de tráfego e consumo de
largura de banda, além de exigir uma maior capacidade de processamento dos DEIs
existentes.
Uma das soluções para o problema é a utilização de VLANs (Virtual Area Networks). VLAN é
uma técnica de segmentação de diferentes elementos da rede através de software. A sua
implementação permite que os equipamentos associados a uma determinada VLAN, ainda
que conectados a uma rede com mais elementos, se comportem como se estivessem
associados a uma única LAN. Uma vez que é implementada através de software, as VLANs
são altamente flexíveis, permitindo ainda a configuração dos recursos disponíveis, como a
alocação de uma largura de banda dedicada ou privilégios de acesso.
A utilização de VLANs permite assim a utilização dos recursos existentes de forma mais
eficiente, impedindo o congestionamento da rede global através de uma transmissão seletiva
do tráfego proveniente das subestações (ou outros).
Antes da utilização de um sistema WAN/VLAN é necessário ter consideração alguns
problemas. Em [8] e [9] foram detalhados os seguintes:
Um problema na layer 2 de qualquer uma das subestações conectadas à VLAN é
propagado a todas as subestações pertencentes a essa mesma VLAN.
Se o número de subestações interligadas for elevado poderá ainda ocorrer uma
sobrecarga dessa rede específica, uma vez que todas as subestações recebem
todas as mensagens GOOSE, independentemente de serem os destinatários finais
ou não.
A utilização de múltiplas VLANs para ultrapassar o problema mencionado, cria
problemas de manutenção e gestão do sistema.
56
A rede deverá ser configurada por forma a assegurar que mensagens mais críticas
são mapeadas através do caminho mais curto.
É necessário assegurar que a rede possui largura de banda suficiente de modo a
assegurar os requisitos de velocidade de transmissão e de mensagens “perdidas”.
Apesar das questões mencionadas foram já instaladas algumas redes de comunicações
utilizando este sistema, em redes de distribuição e transmissão e em escalas relativamente
pequenas (algumas dezenas de subestações), mostrando assim a viabilidade da utilização
da CEI 61850 fora do domínio de uma subestação.
A abordagem descrita em [3], [4] e [6] previa a existência de um controlador central colocado
horizontalmente em termos de rede de comunicações com os restantes DEIs. Aplicando os
conceitos introduzidos de comunicação entre subestações podemos então definir que o
controlador não terá necessariamente de ser integrado numa subestação, mas poderá ser,
por exemplo, instalado no centro de comando da rede, sendo a sua ligação apenas
dependente da arquitetura de comunicações projetada e tendo sempre como preferência os
lugares com maior largura de banda. A Figura 5.4 representa uma configuração genérica do
sistema.
Figura 5.4 - Arquitetura simplificada do sistema de informação
5.2.2 Conversão de Redes de Petri
O presente automatismo foi especificado utilizando RdP devido à capacidade de análise
formal matemática das propriedades e funcionamento do sistema, bem como pela facilidade
de interpretação gráfica de sistemas complexos. No entanto, as RdP não fazem parte das
linguagens normalizadas da automação, pelo que os sistemas de controlo atualmente
existentes não são programáveis segundo as suas especificações.
57
Existem diversos métodos de conversão de RdP para as diversas linguagens normalizadas,
existindo inclusivamente software capaz de fazer a sua transcrição automática. Em [3] foi
apresentado o programa SIPN Editor – Signal Interpreted Petri Nets, que através da
descrição de uma Rede de Petri, permite efetuar a sua conversão para Instruction List (IL),
permitindo ainda adicionar código IL específico, associado a cada uma das transições e
lugares.
Esta última propriedade é de extrema importância para a aplicação de Redes de Petri
interpretadas em sistemas de automação, uma vez que a transposição de transições
necessita da validação de determinadas expressões constituídas por varáveis booleanas
(predicados lógicos), que terão de ser inseridas na forma de código. Adicionalmente,
associado a cada lugar da RdP encontram-se ações a executar pelo automatismo, quer seja
internamente ou através do envio de ações de execução para equipamentos externos. Mais
uma vez é sempre necessária a introdução de código IL especifico a cada lugar.
5.2.3 Controlador Lógico
Em [4], foram estudadas duas soluções distintas quanto ao controlador lógico em que seriam
implementados os automatismos.
A primeira solução consiste numa implementação distribuída, sendo utilizada a lógica
programável dos DEIs existentes nas subestações. Esta abordagem verificou-se impraticável
por duas razões fundamentais. A primeira reside na pequena quantidade de lógica
programável que os DEIs têm disponível, sendo impossível programar automatismos com
algum com grau de complexidade. A segunda, porque os DEIs seguem variadas normas de
programação, sendo assim necessária a adaptação do código anteriormente convertido para
CEI 61131-3 de acordo com as práticas dos diferentes fabricantes.
A segunda solução, consiste na implementação centralizada de todo o automatismo num
único equipamento. Este equipamento poderá ser um PLC convencional ou então um
computador onde é executado um controlador lógico através de software (Soft-PLC).
Independentemente do equipamento utilizado é necessário ter em consideração alguns
requisitos:
Capacidade de suportar a totalidade do código do automatismo
Suporte para a CEI 61131-3
Suporte para as necessidades de comunicação entre os diferentes equipamentos
Suporte para a CEI 61850
5.3 Tecnologias e Infra estruturas de Comunicação
No ponto anterior foram tecidas considerações sobre as possibilidades para uma arquitetura
de implementação do automatismo de Auto-Cicatrização, tanto ao nível do sistema de
controlo como do sistema de comunicações.
58
São agora discutidas algumas das tecnologias e infra estruturas de comunicações com maior
relevância (layer 1 do modelo OSI), tanto para este estudo como para o projeto integrado de
uma rede de comunicações que permita a implementação das diversas componentes de
uma smart grid.
5.3.1 Fibras Ópticas
As fibras ópticas são o melhor meio físico de transmissão de dados para todas as
necessidades de comunicações. Além de oferecerem uma grande largura de banda e
capacidade de transmissão não são susceptíveis a interferências electromagnéticas.
Para além de serem já amplamente utilizadas em subestações, são já de uso corrente nas
linhas de transmissão e distribuição de eletricidade. Os dois tipos de cabos mais comuns são
o OPGW (Optical Power Ground Wire), utilizado como substituto de cabos de guarda e o
ADSS (All Dielectric Self-Supporting), que não sendo tão robusto como o OPGW tem no
entanto completa imunidade electromagnética podendo ser ligado diretamente ao condutor
de uma das fases.
A principal desvantagem no uso de fibras ópticas reside no custo elevado de instalação,
nomeadamente no caso em que as linhas eléctricas se encontram já construídas (live line
instalation). No entanto, no caso de novos investimentos apresentam o melhor rácio custo-
benefício.
5.3.2 BPLC (Broadband Power Line Carrier)
A tecnologia BPLC utiliza as linha eléctricas como meio de comunicação de ondas de alta
frequência, permitindo a transmissão de dados na ordem de alguns Mbps.
A maior vantagem na utilização deste sistema consiste na utilização de infra estruturas já
existentes como meio de comunicação, reduzindo consideravelmente os custos de
investimento e de operação. No entanto, a relativa baixa capacidade de transmissão de
dados impossibilita a sua utilização como backbone de um sistema integrado de
comunicações, sendo ainda assim uma solução viável para o last mile access, possibilitando
o acesso a locais remotos ou de difícil acesso.
Para além das limitações de velocidade de transmissão, existem ainda dificuldades de nível
técnico, tal como referido em [16], dado que este tipo de tecnologia utiliza o mesmo espectro
de frequência que outros operadores licenciados podendo ocorrer interferências para ambas
as partes.
5.3.3 Tecnologias Móveis (GPRS/UMTS/HSPA/LTE)
A utilização de tecnologias móveis revela-se bastante atrativa para o desenvolvimento de
uma rede de comunicações na área dos sistemas de energia, devido principalmente à sua
grande área de cobertura. No entanto, revela-se impraticável a construção de um sistema
proprietário com qualquer uma destas tecnologias, passando a solução pela utilização das
redes comerciais atualmente existentes.
59
A sua utilização é assim essencialmente a extensão da cobertura de redes privadas de
comunicações para atividades menos críticas ou para locais difícil acesso, nomeadamente
para funções de monitorização ou de transmissão de leituras de contadores de energia. A
sua aplicação a sistemas de automação distribuída encontra-se ainda em discussão.
As tecnologias atuais permitem já velocidades de transmissão consideráveis, variando entre
50 kbit/s no GPRS, os 400 kbit/s no UMTS, os 10 Mbp/s no HSPA ou os 50 Mbp/s no LTE.
Ainda assim, é necessário ter em consideração diversos factores antes da escolha de um
sistema de comunicações móveis para utilização em redes de energia.
A utilização de redes comercias tem associados problemas de segurança. Ainda que exista
uma evolução ao nível de protocolos de segurança associados a cada uma das tecnologias,
a transmissão de dados sensíveis deverá ser sempre considerada um risco.
A velocidade de transmissão não se encontra assegurada para mensagens críticas, que
necessitam de cumprir requisitos severos de latência. Uma vez que a gestão das redes é
exterior ao proprietário das redes de distribuição, seria necessário reservar a priori uma
largura de banda para transmissão de informação crítica.
Por fim, é necessário ter ainda em consideração a tarifa de utilização do serviço, em função
da largura de banda requisitada e a previsão de transmissão de dados. Só a partir daí seria
possível efetuar uma análise custo-benefício comparativa, entre a utilização de redes
comerciais e os restantes sistemas proprietários.
5.3.4 WiMAX / WiGRID
O WiMAX ou Worldwide interoperability for Mircrowave Access é uma tecnologia rádio
baseada no protocolo IEEE 802.16 (Broadband Wireless Access), que proporciona a criação
de uma LAN sem fios com uma velocidade máxima de 10 Mbps (extensível até 50 Mbps com
IEEE 802.16m).
Ainda que a capacidade de transmissão de dados e a qualidade de serviço sejam inferiores
às providenciadas por uma rede de fibra óptica, as tecnologias wireless ganham novo
destaque com a necessidade de acomodar as novas aplicações nos sistemas de energia,
nomeadamente automação e produção distribuída ou o AMI (Automatic Meter Infrastructure).
Considerando as novas aplicações, existe a necessidade de a rede de comunicações e
automação se expandir para fora do domínio da subestação, com cobertura de áreas
substancialmente maiores e com múltiplos pontos de interação. É neste ponto que as
tecnologias sem fios se tornam virtualmente as únicas possibilidades viáveis.
Neste campo, a utilização da tecnologia WiMAX traz inúmeras vantagens para a utilização
em sistemas de energia eléctrica, nomeadamente: (adaptado de [14])
1. Rede Privada – O WiMAX é a única tecnologia wireless no mercado em que é
possível implementar uma rede privada de larga escala baseada em standards
60
universais, o que conduz à conjugação da facilidade de controlo e fiabilidade de uma
rede privada com a interoperabilidade de equipamentos baseados em standards.
2. Qualidade de Serviço – O WiMAX contém mecanismos embebidos que permitem a
distinção entre diversos tipos de tráfego que poderão ser tratados de forma
diferenciada ao nível das necessidades de largura de banda, velocidade mínima de
transmissão, entre outros.
3. Escala – O WiMAX permite a criação de redes de larga escala com uma banda de
frequência limitada, sendo possível a criação de uma rede com um único canal de
frequência. Esta vantagem é particularmente relevante no caso de uma rede privada,
em que o espectro de frequência disponível é limitado ou pode acarretar custos
elevados.
Ainda que oferecendo claras vantagens perante as restantes tecnologias móveis, existem
alguns pontos que dificultam a implementação de uma rede WiMAX: (adaptado de [14])
1. Access Service Network (ASN) Gateway – Com a utilização de redes comerciais,
todo o tráfego necessita de ser mapeado com GRE Tunnel (ver 5.2.1), até ao ASN
Gateway, implicando que todo o tráfego poderá ter de ser transmitido através de
longas distâncias, ainda que o remetente e o destinatário se encontrem
relativamente próximos.
2. O WiMAX suporta unicamente tráfego mapeado sobre IP, não permitindo assim a
utilização de mensagens GOOSE diretamente sobre Ethernet. Se tal pode não ser
um obstáculo no que toca a um backbone de informação, levanta algumas limitações
na expansão da automação da subestação.
Com o objectivo providenciar uma maior facilidade na constituição de redes privadas de
WiMAX ao nível industrial e de utilities, constituiu-se uma nova tecnologia denominada por
WiGRID, que baseada no WiMAX, responde a critérios e requisitos diferentes, especificados
tendo em consideração as novas aplicações. Tendo em vista a utilização do WiGRID nos
sistemas de energia foram estabelecidos requisitos pelo WiMAX Forum: System Profile
Requirements for Smart Grid Applications [18].
Estes requisitos são o resultado de um benchmark de diversas utilities, bem como dos casos
práticos já existentes utilizando a tecnologia WiMAX. A principal diferença é o mapeamento
direto sobre Ethernet, permitindo assim a comunicação direta na layer 2 através de
mensagens GOOSE.
Foram ainda estabelecidos novos requisitos, nomeadamente ao nível de velocidade de
transmissão, robustez, cobertura e segurança da rede.
61
5.4 Sistemas de Comunicações: Considerações Finais
A escolha de uma infraestrutura de comunicações fiável, eficiente e segura é imprescindível
para o sucesso da implementação de uma arquitetura de automação distribuída, bem como
de automatismos como o apresentado ao longo deste trabalho. No entanto esta escolha não
é linear e é fortemente dependente das características e necessidades de cada utility. Em
[21] são definidos alguns dos factores que influenciam esta decisão:
Cobertura geográfica necessária
Capacidade de transmissão
Velocidade de transmissão
Disponibilidade e fiabilidade
Segurança
Preço
A importância de cada um destes factores depende assim das necessidades específicas de
cada utility, devendo cada implementação ser analisada caso a caso. É no entanto
importante realçar que todas as tecnologias descritas anteriormente (com exceção do PLC)
permitem a construção de uma arquitetura capaz de suportar todas as necessidades de
comunicação inerentes à implementação do automatismo de auto-cicatrização descrito nos
capítulos 3 e 4.
De seguida, são descritos alguns casos práticos de arquiteturas de sistemas de
comunicações, construídas com o objectivo de implementar algumas das funções inerentes
ao conceito de smart grid. Em todos os exemplos as redes foram projetadas caso a caso,
tendo em vista a satisfação de necessidades específicas.
A empresa espanhola EPRESA, conjuntamente com a RuggedCom Siemens, desenvolveu
uma das primeiras redes de comunicações integradas de modo a possibilitar a
implementação de diversas funções, nomeadamente:
Integração do AMI
Automação distribuída
Acesso em tempo real a câmaras de vídeo
VoIP e Internet para utilizadores domésticos
A solução adoptada consiste num backbone de comunicações com uma arquitetura de
múltiplos anéis em fibra óptica que interligam múltiplas subestações (≈100) e o centro de
comando operacional.
De forma a complementar a sua rede de comunicações, o last mile access, principalmente
para o AMI, automação distribuída e locais de maior dificuldade de acesso, foi efetuado
através de outras tecnologias como o WiMAX, PLC e ADSL. Foram assim integradas, numa
única solução, a maioria das tecnologias atualmente disponíveis no mercado. [22]
62
Com uma escala mais pequena, a A&N Electric Cooperative, implementou um sistema de
FLIR (Fault Location, Isolation and Restoration) conjuntamente com a RuggedCom Siemens
com o objectivo de melhorar a qualidade de serviço na rede.
Ao nível das comunicações, a solução consistiu na extensão da LAN da subestação aos
diversos disjuntores, seccionadores e aparelhos de medida disponíveis na rede. As
informações dos diversos equipamentos são transmitidas utilizando mensagens GOOSE
através de WiMAX, com velocidade e largura de banda suficientes para a satisfação dos
requisitos de tempo para proteção.
Por fim, outro caso de sucesso foi a implementação de sistemas de comunicação para
proteção, comando e medida por parte da Southern California Edison Company, integrando
numa única rede dezenas de subestações.
A infraestrutura consiste em diversos anéis de fibra óptica conectando as principais
subestações, bem como derivações em fibra óptica para as restantes subestações. Os locais
sem acesso de fibra óptica são conectados através de canais microondas digitais [15].
Em todas as soluções foram ainda utilizadas VLANs para a segregação de tráfico e
atribuição de largura de banda específica, consoante o tipo de informação e equipamentos.
Ainda que as tecnologias e protocolos utilizados variem de solução para solução, bem como
os requisitos de tempos de transmissão, é possível estabelecer alguma relação entre as
diversas tecnologias no que respeita aos diversos parâmetros a ter em consideração na
escolha de um sistema de comunicações.
Na Figura 5.5 encontra-se uma tabela resumo de comparação, extraída de [24], entre
diversas tecnologias e ao nível dos critérios anteriormente discutidos.
Figura 5.5 – Comparação de Tecnologias de Comunicação (extraído de [24])
63
6 Conclusões e Trabalhos Futuros
6.1 Conclusões
A atual evolução dos sistemas de energia eléctrica no sentido de uma rede inteligente,
pressupõe a criação de mecanismos que permitam o rápido restauro da rede em caso de
incidentes, contribuindo assim para a melhoria da qualidade de serviço e a diminuição tanto
do tempo de interrupção como da energia não fornecida.
O objectivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de uma metodologia que permita a
criação de um automatismo capaz de implementar esta funcionalidade. Tendo como base a
análise dos automatismos atualmente existentes em subestações, o produto final obtido
permite o alargamento do domínio operacional desses automatismos a toda uma rede de
distribuição.
É ainda importante frisar que a solução desenvolvida tem um carácter genérico,
pretendendo-se assim que esta metodologia não seja constrangida a uma rede de
distribuição particular, com situações e requisitos específicos, mas que tenha um carácter
global, adequando-se à generalidade das redes de distribuição em Média Tensão, sendo
capaz de suportar as especificidades de cada uma através da sua correta parametrização.
Assim, de acordo com os objectivos traçados para este trabalho, e seguindo a metodologia
de especificação de automatismos, foram concretizados com sucesso os seguintes pontos:
Estabelecimento dos requisitos operacionais – Os requisitos operacionais já
existentes para a operação de recurso em subestações foram reformulados de modo a incluir
as novas possibilidades de recurso. Foram ainda estabelecidos novos requisitos ao nível da
rede, com o objectivo de garantir a segurança e fiabilidade da operação do automatismo de
auto-cicatrização.
Definição do princípio de funcionamento – Através da identificação de topologias
dinâmicas, foram definidos os princípios de funcionamento de um automatismo de auto-
cicatrização, capaz de satisfazer os requisitos operacionais delineados. Foram assim criados
dois automatismos independentes que, conjuntamente são capazes de realizar a operação
de recurso. O Automatismo de Operação de Recurso, responsável pelo comando dos
aparelhos de corte e pela escolha de opções de ligação, e automatismo de Gestão da Auto-
Cicatrização, responsável pela detecção de topologias dinâmicas da rede e pelo
processamento de pedidos de realimentação.
Especificação em Redes de Petri – Os automatismos descritos anteriormente
foram especificados em Redes de Petri, traduzindo o seu correto funcionamento de acordo
com os princípios operacionais definidos.
Após a estruturação das Redes de Petri, foi efetuada a verificação da correção do modelo,
através de uma cuidadosa análise das suas propriedades. Com a utilização de software
64
especifico, foi possível garantir a estabilidade das RdP através da limitação do número de
marcações, a sua vivacidade e inexistência de deadlocks.
Através da análise estrutural das RdP, ao nível de invariantes de transições e lugares, foi
ainda possível garantir o seu correto funcionamento operacional, sendo observável a
concordância entre a execução das mesmas e os requisitos definidos.
Por fim, são tecidas considerações sobre as possibilidades de implementação de todo o
automatismo, tendo em conta as normas internacionais de programação de controladores
(CEI 61131) e de comunicações para subestações (CEI 61850).
Foi assim desenvolvida uma arquitetura para implementação de um controlador lógico no
qual é processado todo o funcionamento do automatismo. Esta arquitetura foi baseada nas
conclusões de [4].
A extensão do domínio de operação a toda a rede de distribuição, envolve a transmissão de
elevadas quantidades de informação em tempo real e com um espaço geográfico que se
estende muito para além de uma subestação.
Assim, com o objectivo de viabilizar a implementação do automatismo, foram discutidas as
diversas possibilidades de utilização da norma CEI 61850 (mensagens GOOSE), fora do
contexto da subestação, bem como os diversos meios de comunicação existentes, capazes
de transmitir o volume informação necessário. Adicionalmente, foram ainda apresentados
alguns sistemas de comunicação já implementados, evidenciando as tecnologias e
arquiteturas utilizadas.
6.2 Trabalhos Futuros
Ainda que a metodologia se encontre definida, torna-se agora necessário demonstrar o seu
correto funcionamento operacional através da implementação de todo o sistema aplicado a
uma rede específica. Para tal, destacam-se os seguintes passos:
Implementação do controlador lógico, isto é, transcrever os automatismos
definidos para CEI 61131-3 e executá-los num controlador lógico, quer em PLC
(hardware) ou softPLC (software), segundo as metodologias definidas em [4],
assegurando sempre a compatibilidade com a CEI 61850.
Implementação em CEI 61850. Tendo por base uma rede real, efetuar a
configuração de todo o sistema de comunicações, através das criação dos ficheiros
SCD e ICD previstos na CEI 61850, à semelhança do trabalho efetuado em [3].
Estudo das tecnologias de comunicação. A utilização de mensagens GOOSE fora
do domínio da subestação foi brevemente descrita ao longo deste trabalho, no
entanto, sendo no entanto escassas as referências às suas reais possibilidades de
utilização, nomeadamente os tempos de transmissão, dependendo dos sistemas
utilizados, e qual a sua performance em função da tecnologia.
65
Referências Bibliográficas
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Energia, de Automatismos Programados Segundo a Norma 61131-3”, Dissertação de
Mestrado, Universidade Técnica de Lisboa, Novembro 2011
[4] R. Parreira, “Implementação Normalizada de Automatismos de Subestações de Energia
especificados por Redes de Petri”, Dissertação de Mestrado, Universidade Técnica de
Lisboa, Dezembro 2011
[5] K. P. Brand, W. Wimmer, “Use of distributed topology detection for applications in
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[6] J. L. Pinto de Sá, R. Cartaxo, “Implementing Substations Automatic Control Functions
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[11] T. Murata, “Petri Nets: Properties, analysis and applications”, Proceedings of IEEE, vol.
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[13] P. Kreutzer, “Substation Automation: Future Trends Substation Automation and
IEC61850”, ABB Substation Automation Systems, Fevereiro 2012
[14] Power Engineering Guide, 7.ª Ed., Siemens Aktiengesellschaft, 2012
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System Protection Messaging”, in Texas A&M Conference for Protective Relay
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66
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Electricity Distribution, Frankfurt, Junho 2011
[18] “System Profile Requirements for Smart Grid Applications”, WiMAX Forum, WMF-T31-002-R010v01, Fevereiro, 2013
[19] M. Qureshi et al., “A communication architecture for inter-substation communication”, in
IEEE 8th International Conference on Computer and Information Technology Workshops,
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[20] K. John and M. Tiegelkamp, IEC 61131-3: Programming Industrial Automation Systems,
Alemanha, Springer, 2001
[21] R. Uluski, G. Gilchrist (2000, Abril 1), Communications for Distributed Automation
[Online]. Disponível em: http://www.elp.com
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[24] KEMA, Why Mobile for Smart Utilities?, GSM Association, Fairfax Virginia, Junho 2011
[25] A. Kostin, “Using Transition Invariants for Reachability Analysis of Petri Nets” in Petri Net,
Theory and Applications, V. Kodric, I-Tech Education and Publishing, Vienna, Fevereiro
2008, pp. 534
67
Anexo A – Propriedades das Redes de Petri
Neste anexo são detalhadas as propriedades das RdP bem como metodologias para a sua
análise, aplicadas no contexto de verificação do funcionamento de automatismos.
A.1 Propriedades Dinâmicas das Redes de Petri
Acessibilidade (Reachability)
A acessibilidade constitui o principal problema da análise de uma Rede de Petri:
Definição A.1: Acessibilidade: Dada uma RdP 𝑅 = (𝑃, 𝑇, 𝐼, 𝑂, 𝜇0) e uma marcação 𝜇′ , µ′ ∈
ℛ(R, µ0)?
A função ℛ , representa todas as marcações acessíveis a partir da marcação inicial µ0 .
Existem diversas formas de análise deste problema. A técnica mais utilizada, é a construção
da Reachability Tree, que consiste em calcular iterativamente todas as marcações possíveis
até regressar à marcação inicial ou a uma marcação já calculada.
Apesar das diversas técnicas de redução desta árvore, o seu cálculo é extremamente
dispendioso computacionalmente para redes extensas e não binárias, como é o caso das
redes analisadas no Anexo C.
Limitação
Uma RdP diz-se limitada se, dada uma marcação inicial, para todo o espaço de estados
possível, o número de tokens em cada lugar é sempre inferior ou igual a k.
Definição A.2: Um lugar 𝑝𝑖 de uma RdP 𝑅 = (𝑃, 𝑇, 𝐼, 𝑂, 𝜇0) , considera-se k-limitada sse:
∀ 𝜇′ ∈ ℛ(𝑅, 𝜇0), 𝜇′(𝑝𝑖) ≤ 𝑘 . Uma RdP considera-se k-limitada se todos os seus lugares
verificarem a condição.
Segurança / Rede Binária
Um lugar de uma RdP considera-se seguro, se para todo o espaço de estados de uma dada
marcação inicial, o número de tokens nesse mesmo lugar for sempre inferior ou igual a 1.
Uma rede segura, é uma rede limitada com k=1.
Definição A.3: Um lugar pi de uma RdP R = (P, T, I, O, µ0), considera-se segura sse: ∀ µ′ ∈
ℛ(R, µ0), µ′(pi) ≤ 1. Uma RdP considera-se segura se todos os seus lugares verificarem a
condição.
Conservação
Uma RdP diz-se conservativa se o somatório ponderado de tokens se mantiver constante
para todo o espaço de estados. Uma RdP diz-se estritamente conservativa se o somatório de
tokens se mantiver constante para todo o espaço de estados.
68
Definição A.4: Uma RdP 𝑅 = (𝑃, 𝑇, 𝐼, 𝑂, 𝜇0) é estritamente conservativa se, ∀ µ′ ∈ ℛ(R, µ0),
∑ 𝜇′(𝑝𝑖)
𝑝𝑖∈𝑃
= ∑ 𝜇(𝑝𝑖)
𝑝𝑖∈𝑃
Definição A.5: Uma RdP 𝑅 = (𝑃, 𝑇, 𝐼, 𝑂, 𝜇0) , com um vector 𝑤 = (𝑤1 , … , 𝑤𝑛), 𝑛 = |𝑃| é
conservativa se, ∀ µ′ ∈ ℛ(R, µ0),
∑ 𝑤𝑖 . 𝜇′(𝑝𝑖)
𝑝𝑖∈𝑃
= ∑ 𝑤𝑖 . 𝜇(𝑝𝑖)
𝑝𝑖∈𝑃
Vivacidade
A definição de vivacidade encontra-se extremamente próxima da ausência de bloqueios
mortais (Deadlocks) numa RdP. Uma RdP diz-se viva se a partir de qualquer marcação
obtida a partir da marcação inicial é possível, através de uma qualquer sequência de
transições, disparar qualquer uma das transições da rede.
Uma rede viva garante assim que não existe nenhuma transição que não possa vir a ser
transposta, qualquer que seja a marcação obtida a partir da marcação inicial.
A propriedade da vivacidade é por vezes de difícil análise, especialmente em sistemas
complexos. Encontram-se assim estabelecidos diferentes níveis de vivacidade:
Nível 0: Uma transição tj é de nível 0 se nunca poder ser transposta
Nível 1: Uma transição tj é de nível 1 se for potencialmente transposta, isto é, existe
uma marcação u’ que permite a transposição de tj.
Nível 2: Uma transição tj é de nível 2 se para qualquer número n, existe uma
sequência que permite a transposição de tj n vezes.
Nível 3: Uma transição tj é de nível 3 se existir uma sequência infinita de transições
em que tj é transposta infinitas vezes.
Nível 4: Uma transição tj é de nível 4 se para qualquer marcação existir um
sequência de transições que permita a transposição de tj.
Uma RdP diz-se viva de nível-i se todas as suas transições tiverem um nível igual ou
superior a i. Uma RdP diz-se viva, se todas as suas transições forem de nível 4.
Reinicializável ou Reversível
Uma RdP diz-se reinicializável se para qualquer marcação 𝜇′ ∈ ℛ(𝑅, 𝜇0) , existe uma
sequência de transições que permite regressar à marcação inicial µ0.
É necessário ter em consideração que as propriedades de vivacidade e reversibilidade não
são iguais, uma rede reinicializável não é necessariamente uma rede viva e vice-versa.
69
A.2 Propriedades Estruturais das Redes de Petri
Ao contrário de todas as propriedades dinâmicas definidas anteriormente, as propriedades
estruturais das Redes de Petri são independentes da sua marcação inicial µ0.
Considerando a equação fundamental da dinâmica das RdP
𝜇𝑖+𝑘+1 = 𝜇𝑖 + 𝐶. �̅�
e considerando os vectores característicos 𝑓 e 𝜎, tais que:
dim(𝑓) = (dim(𝑃) × 1), dim(𝜎) = (dim(𝑇) × 1)
Podemos rescrever a equação fundamental da seguinte forma:
𝑓𝑇 . 𝜇𝑖+𝑘+1 = 𝑓𝑇 . 𝜇𝑖 + 𝑓𝑇 . 𝐶. �̅�
Considerando 𝑓𝑇 . 𝐶 = 0 obtemos a seguinte relação:
𝑓𝑇 . 𝜇𝑖+𝑘+1 = 𝑓𝑇 . 𝜇𝑖 = 𝑐𝑡𝑒, ∀𝑖 ∈ ℕ
Por outro lado, substituindo na equação fundamental �̅� por 𝜎 e considerando que 𝐶. 𝜎 = 0,
obtemos a relação
𝜇𝑖+𝑘+1 = 𝜇𝑖 = 𝑐𝑡𝑒, ∀𝑖 ∈ ℕ
Os vectores 𝑓 e 𝜎, não trivialmente nulos e que resolvam as equações mencionadas definem
respectivamente os invariantes de lugares e invariantes de transições de uma
determinada RdP.
Definição A.6: Definem-se como invariantes de lugar os vectores 𝑓 que sejam a solução da
equação: 𝑓𝑇 . 𝐶 = 0, 𝑓 ≠ 0.
Os invariantes de lugar, também designados como componentes conservativas, representam
assim lugares de uma RdP cuja soma das marcações se mantém constante para todo o
espaço de estados.
A definição de invariantes de lugar permite assim estabelecer relações assertivas sobre as
condições envolvidas, podendo ser utilizado nas mais diversas análises do funcionamento da
rede. Sendo uma das mais importantes, a verificação de exclusão mútua entre lugares.
Através da sua análise é possível provar que duas ações, que se pretendem mutuamente
exclusivas, não ocorrem simultaneamente.
Definição A.7: Definem-se como invariantes de transições os vectores 𝜎 que sejam a
solução da equação: 𝐶. 𝜎 = 0, 𝜎 ≠ 0.
Os invariantes de transições, também designados por componentes repetitivas estacionárias
permitem a determinação de comportamentos repetitivos de uma RdP, permitindo a análise
de reversibilidade de uma RdP, bem como a análise de sequências de transições cíclicas e
repetitivas.
70
Estabelecem-se agora algumas definições adicionais relativas às propriedades estruturais:
Definição A.8: Um invariante total (de lugares ou transições), é um invariante cujo suporte é
todo o conjunto de lugares ou transições de uma rede.
Definição A.9: Uma RdP é conservativa se tiver um invariante total de lugares, e é repetitiva
estacionária se tiver um invariante total de transições.
71
Anexo B – RdP detalhadas de automatismos e autómatos
Os autómatos e automatismos apresentados neste Anexo foram já detalhados em [1],
apresentando-se aqui uma explanação sumária das suas RdP no contexto deste trabalho.
B.1 Autómato Modelador do Transformador
Na Figura B.1 encontra-se a representação completa de um autómato que modela um
transformador e na Tabela B.1 a respectiva interpretação conforme apresentado em [1].
Figura B.1 - Autómato completo, modelador do transformador (adaptado de [1])
Tabela B.1 - Interpretação da RdP do autómato modelador de transformador
Transição Predicados das Transições Legenda da Interpretação
t1 𝑐𝑡2 ct1: UAT > 0
ct2: T(X) ligado; T=Transformador
ct3: UMT = 0 na barra a jusante
ct4: Defeito interno no transformador
ct5: Arranque de Defeito externo no
transformador
t2 𝑐𝑡2̅̅ ̅̅
t3 𝑐𝑡2
t4 𝑐𝑡2̅̅ ̅̅ . 𝑐𝑡4̅̅ ̅̅ . 𝑐𝑡5
t5 𝑐𝑡2̅̅ ̅̅ . 𝑐𝑡3. 𝑐𝑡4̅̅ ̅̅
t6 𝑐𝑡1. 𝑐𝑡2
t7 𝑐𝑡1̅̅ ̅̅ . 𝑐𝑡2̅̅ ̅̅
t8 𝑐𝑡2. 𝑐𝑡5. 𝑐𝑡4̅̅ ̅̅
t9 𝑐𝑡2. 𝑐𝑡3. 𝑐𝑡4̅̅ ̅̅ . 𝑐𝑡5̅̅ ̅̅
t10 𝑐𝑡2. (𝑐𝑡4 + 𝑐𝑡5̅̅ ̅̅ )
t11 𝑐𝑡2. (𝑐𝑡4 + 𝑐𝑡3̅̅ ̅̅ )
72
Os lugares do modelo apresentado na Figura B.1 têm a seguinte legenda:
T1: Em Serviço
T2: Avariado ou sob operador
T3: Religável
T4: Dependente da U(AT)
T5: Fora de Serviço
T6: Em Disparo U < MIN
T7: Em Disparo RTMP
A RdP apresentada é passível de ser simplificada, conservando os lugares mais
significativos. Utilizando as seguintes simplificações, obtém-se a RdP apresentada na Figura
2.3.
1. As transições t8 e t9 são substituíveis, arrastando a eliminação dos lugares T6 e T7;
2. As transições t10 e t11 são neutras;
3. O lugar T5 é redundante: m(T5) = m(T2)+m(T4);
4. O lugar T4 é substituível, arrastando consigo a eliminação da transição t6;
5. t5 torna-se idêntica a t5;
6. t7 torna-se neutra;
B.2 Autómato Modelador do Barramento
Na Figura B.2 encontra-se a representação completa de um autómato que modela um
barramento MT e na Tabela B.2 a respectiva interpretação conforme apresentado em [1].
Figura B.2 - Autómato completo, modelador do barramento MT (adaptado de [1])
73
Tabela B.2 - Interpretação da RdP do autómato modelador de barramento MT
Transição Predicados das Transições Legenda da Interpretação
b1 𝑐𝑏1 cb1: Caminho de alimentação da barra a
partir da AT estabelecido.
cb2: Barra vizinha acopulada
cb3: Barra vizinha religável
cb4: defeito interno no transformador
topologicamente ligado à barra
cb5: Apenas uma fonte de alimentação se
encontra ligada à barra
cb6: Transformador ligado à barra: Relé
contra defeitos externos inativo
cb7: disparo do relé de min. de tensão
b2 𝑐𝑏1̅̅ ̅̅ ̅. 𝑐𝑏4̅̅ ̅̅ ̅
b3 𝑐𝑏1
b4 𝑐𝑏1̅̅ ̅̅ ̅. 𝑐𝑏4
b5 𝑐𝑏1̅̅ ̅̅ ̅. 𝑐𝑏2. 𝑐𝑏3
b6 𝑐𝑏4. 𝑐𝑏5. 𝑐𝑏6
b7 𝑐𝑏4̅̅ ̅̅ ̅
b8 𝑐𝑏1. 𝑐𝑏4̅̅ ̅̅ ̅. 𝑐𝑏6. 𝑐𝑏7
b9 𝑐𝑏7̅̅ ̅̅ ̅
b10 𝑐𝑏1̅̅ ̅̅ ̅. 𝑐𝑏7
Os lugares do modelo apresentado na Figura B.1 têm a seguinte legenda:
B1: Em Serviço
B2: Fora de Serviço
B3: Religável
B4: Em Defeito Interno
B5: Com U = 0
A RdP apresentada é passível de ser simplificada, conservando os lugares mais
significativos. Utilizando as seguintes simplificações, obtém-se a RdP apresentada em Figura
2.4.
1. As transições b6 e b8 são substituíveis, arrastando a eliminação dos lugares B4 e B5
2. As transições b7 e b9 tornam-se neutras
3. As transições b10 e b11 são idênticas, respectivamente, às transições b4 e b5
B.3 Automatismo de Operação de Recurso
As figuras B.3 e B.4 representam o automatismo de Operação de Recurso de uma barra MT,
partindo da situação de barra isolada ou barra acopulada (disjuntor interbarras fechado). As
opções de recurso poderão ser o de um transformador topologicamente ligado à barra ou
uma barra vizinha (caso a barra esteja isolada).
Na Tabela B.3 encontra-se a interpretação das duas RdP, conforme apresentado em [1].
74
Figura B.3 - Automatismo Op. de Recurso partindo de barra isolada (adaptado de [1])
Figura B.4 - Automatismo Op. de Recurso partindo de barras acopuladas (adaptado de [1])
75
Tabela B.3 - Interpretação da RdP da OR com barra isolada (Fig. B.3)
Predicados dos Lugares
RECA Condição inicial do automatismo de OR
FT1 Liga Transformador
FBr Liga Disjuntor Interbarras
FBP1 Liga Disjuntor Interbarras
REC1 Sucesso (ligação do transformador)
REC2 Insucesso (ligação do transformador)
REC3 Confirma U>0
REC4 Confirma U>0
Predicados das Transições
Rec1 𝑐2
Rec2 𝑐2̅̅ ̅. 𝑐𝑢9. 𝑐𝑖𝑛𝑡𝑑𝑢1; 𝑜𝑝𝑢2
Rec3 𝑐𝑟𝑒𝑐1
Rec5 𝑐𝑟𝑒𝑐1
Rec6 𝑐𝑟𝑒𝑐1
Rec12 𝑜𝑝𝑟𝑒𝑐1
Rec14 𝑜𝑝𝑟𝑒𝑐1
Rec17 𝑜𝑝𝑟𝑒𝑐1
Rec18 𝑐2. 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅. 𝑐𝑝𝑏𝑜𝑘
Rec19 𝑐2̅̅ ̅. 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅. 𝑐𝑝𝑏𝑜𝑘. 𝑐𝑖𝑛𝑡𝑑𝑢4
Rec20 𝑐2̅̅ ̅. 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅. 𝑐𝑝𝑏𝑜𝑘. 𝑐𝑖𝑛𝑡𝑑𝑢2. 𝑐𝑡𝑣1̅̅ ̅̅ ̅̅
Rec21 𝑐2̅̅ ̅. 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅. 𝑐𝑡𝑣1
Legenda
c2 – Barras X e Y interligadas
cu9 – Tensão U na barra normal ( )
cintdu1 – m(B1)=1, barra em serviço
opu2 – lançamento de temporização de confirmação de regresso de tensão
crec1 – Fim da pausa de retorno do relé de mínimo de tensão
cpbok – disjuntor de interbarras ligável
cintdu4 – m(T2)=1, transformador fora de serviço por avaria
cintdu2 – m(T3)=1, transformador religável
cintdu3 – m(T4)=1, transformador fora de serviço por falta de UAT
ctv1 – transformador fechável
oprec1 – lançamento da pausa para retorno do relé de mínimo de tensão
76
Tabela B.4 - Interpretação da RdP da OR com barras acopuladas (Fig. B.3)
Predicados dos Lugares
RECAB Condição inicial do automatismo de OR
FT1 Liga Transformador X
FT2 Liga Transformador Y
REC5 Sucesso (ligação do transformador X)
REC6 Insucesso (ligação do transformador X)
REC7 Sucesso (ligação do transformador Y)
REC8 Insucesso (ligação do transformador Y)
Predicados das Transições
Rec28 𝑐2
Rec8a 𝑐2. 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅. 𝑐𝑖𝑛𝑡𝑑𝑢1
Rec26 𝑐2. 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅. 𝑡1𝑣1
Rec27a 𝑐2. 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅. 𝑡1𝑣1. 𝑐𝑖𝑛𝑡𝑑𝑢4. 𝑡2𝑣1
Rec27b 𝑐2. 𝑐𝑢9̅̅ ̅̅ ̅. 𝑡1𝑣1. 𝑡1𝑣2
Rec22 𝑜𝑝𝑟𝑒𝑐1
Rec24 𝑜𝑝𝑟𝑒𝑐1
Rec8 𝑐𝑟𝑒𝑐1
Rec10 𝑐𝑟𝑒𝑐1
Na Figura B.3, as transições rec1 e rec2, correspondem à verificação da normalização da
tensão na barra e à reposição da tensão por comando exterior, respectivamente.
Na Figura B.4, as transições rec28 e rec8a, correspondem respectivamente à reposição de
tensão por comando exterior e à alteração topológica através da abertura do disjuntor
interbarras.
A redução das RdP das figuras B.3 e B.4 conduz às RdP apresentadas no Capítulo 2, Figura
2.5 e Figura 2.6, respectivamente.
77
B.4 Módulo de Ligação do Transformador
Na Figura B.5 encontra-se representado o módulo de ligação de um transformador, conforme
apresentado em [1]. Na Tabela B.5 encontra-se a respectiva interpretação.
Figura B.5 - Módulo de Ligação do Transformador
Tabela B.5 - Interpretação da RdP do módulo de ligação do transformador
Predicados dos Lugares
LT1 Condição inicial do automatismo do módulo
LT2 Liga AT do transformador
LT3 Pausa
LT4 Insucesso na Ligação do Transformador
LT5 Liga MT do transformador
Predicados das Transições
Lt1 𝑡3𝑚; 𝑜𝑝𝑡
Lt3 𝑡1̅̅̅. 𝑡𝑚𝑓𝑣1. 𝑜𝑝𝑓𝑚
Lt4 𝑡1. 𝑡𝑎𝑓𝑣1. 𝑡𝑚𝑓𝑣1. 𝑜𝑝𝑓𝑎
Lt5 𝑡𝑚𝑓𝑣1̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅ + (𝑡1. 𝑡𝑎𝑓𝑣1̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ )
Lt6 𝑡3𝑎. 𝑜𝑝𝑡
Lt7 𝑡2. 𝑡3𝑎̅̅ ̅̅ ̅
Lt8 𝑜𝑝𝑓𝑚
Lt9 𝑡2. 𝑡3𝑚̅̅ ̅̅ ̅̅
78
Legenda
t1 – transformador com disjuntor AT acessível
t(x)fv1 – Disjuntor (x) ligável (x = {AT ou MT} (a,m))
opf(x) – ordem de ligação do disjuntor (x) e lançamento da temporização de fecho
t3(x) – ordem de ligação executada
opt3 – lançamento da temporização de passagem
t2 – fim da temporização de ligação
79
Anexo C – Análise Estrutural das Redes de Petri
C.1 Análise Estrutural do AOR
Os diferentes AOR podem ter diversas configurações dependendo da topologia da rede, tal
como foi explicitado no Capítulo 2, estas configurações são conseguidas através da adição
e/ou subtração de diferentes módulos de ligação (transformador, Interbarras, linhas,...).
Como tal, é impossível o estudo de todas as configurações possíveis, sendo possível no
entanto extrapolar as propriedades dos AOR a partir de topologias base.
Como objecto de estudo utilizou-se um AOR, afecto a um barramento CN1, com a topologia
indicada na Figura C.1 e com características e ligações na Tabela C.1. A particularidade
deste AOR é a incorporação de todos os módulos, permitindo assim um estudo completo.
A RdP correspondente a este AOR encontra-se na Figura C.2. As transições aux1 e aux2,
permitem a reinicialização do automatismo, representando as operações efectuadas pelo
GAC. A cinzento e tracejado encontram-se representadas as ligações aos autómatos
modeladores.
Figura C.1 - Topologia utilizada para análise estrutural do AOR
Tabela C.1 - Autómatos Modeladores incluídos na análise estrutural do AOR
Autómatos Modeladores e Automatismos
Elemento Designação Elemento Designação
Transformador 1 Autómato 1.T Linha MT CN2 2.L
Barramento CN4 Autómato 4.B Linha MT CN3 3.L
Barramento CN5 Autómato 5.B Barramento CN6 6.B
Da análise do AOR efetuada através do TINA resultou a computação dos invariantes de
lugar e transições e a verificação das propriedades indicados na Tabela C.2.
80
Figura C.2 - RdP do AOR do CN1, utilizada para a análise estrutural
Tabela C.2 - Propriedades da RdP e Invariantes-P/T
Propriedades da RdP do AOR
P T Estados Transições Limitada Viva Reversível
34 60 6696 76986
Invariantes de Lugar
1) {1.RT1} {1.RT2} {1.RT3} {1.T1} {1.T2} {1.T3}
2) {2.L1} {2.L2} {2.L3} {2.L4} {2.RL1} {2.RL2} {2.RL3}
3) {3.L1} {3.L2} {3.L3} {3.L4} {3.RL1} {3.RL2} {3.RL3}
4) {2.RL1} {2.RL2} {2.RL3} {4.B1} {4.B2} {4.B3}
5) {3.RL1} {3.RL2} {3.RL3} {5.B1} {5.B2} {5.B3}
6) {6.B1} {6.B2} {6.B3} {6.RB1} {6.RB2}
7) {1.RT1} {1.RT2} {1.RT3} {2.RL1} {2.RL2} {2.RL3} {3.RL1} {3.RL2} {3.RL3} {6.RB1} {6.RB2} {AOR.FAIL} {AOR.SUC} RECA
81
Invariantes de Transições
1. {1.t1} {1.t2} 2. {1.t3} {1.t4} 3. {4.b3} {4.b4} 4. {5.b3} {5.b4} 5. {6.b3} {6.b4} 6. {1.rt1} {1.rt3} {1.rt5} {1.t1} {1.t4} aux2 7. aux2 rec2 8. {1.rt1} {1.rt2} {1.rt4} {1.t4} aux1 9. aux1 rec1
10. {2.l3} {2.l4} 11. {2.l1} {2.l2} 12. {2.l2} {2.l7} {2.l9} 13. {2.l7} {2.l8} 14. {2.l1} {2.l3} {2.l5} 15. {2.l1} {2.l3} {2.l6} {2.l8} 16. {2.l3} {2.l5} {2.l7} {2.l9} 17. {2.l3} {2.l6} {2.l9} 18. {2.l1} {2.l3} {2.l6} {2.rl1} {2.rl3} {2.rl5}
aux2 19. {2.l3} {2.l5} {2.l7} {2.rl1} {2.rl2} {2.rl4}
aux1 20. {2.l3} {2.l6} {2.rl1} {2.rl2} {2.rl4} aux1 21. {2.l2} {2.l7} {2.rl1} {2.rl2} {2.rl4} aux1 22. {2.l7} {2.rl1} {2.rl3} {2.rl5} aux2
23. {4.b2} {4.b3} {4.b5} 24. {4.b1} {4.b2} 25. {3.l3} {3.l4} 26. {3.l1} {3.l2} 27. {3.l2} {3.l7} {3.l9} 28. {3.l7} {3.l8} 29. {3.l1} {3.l3} {3.l5} 30. {3.l1} {3.l3} {3.l6} {3.l8} 31. {3.l3} {3.l5} {3.l7} {3.l9} 32. {3.l3} {3.l6} {3.l9} 33. {3.l1} {3.l3} {3.l6} {3.rl1} {3.rl3} {3.rl5}
aux2 34. {3.l3} {3.l5} {3.l7} {3.rl1} {3.rl2} {3.rl4}
aux1 35. {3.l3} {3.l6} {3.rl1} {3.rl2} {3.rl4} aux1 36. {3.l2} {3.l7} {3.rl1} {3.rl2} {3.rl4} aux1 37. {3.l7} {3.rl1} {3.rl3} {3.rl5} aux2
38. {5.b2} {5.b3} {5.b5} 39. {5.b1} {5.b2} 40. {6.rb1} {6.rb2} {6.rb4} aux1 41. {6.rb1} {6.rb3} aux2
42. {6.b2} {6.b3} {6.b5} {6.b1} {6.b2}
Na Tabela C.3 encontram-se ainda simulações efetuadas a AORs com diversas topologias,
com as propriedades dinâmicas de cada RdP, bem como o número de transições e
marcações, permitindo assim observar a evolução da complexidade com o aumento da rede
MT.
Tabela C.3 – Evolução das propriedades dinâmicas do AOR
Ligaçõesb Rede de Petri Análise de Acessibilidade Propriedades Dinâmicas
P T Estados Transições Limitada Viva Reversível
T, B 14 22 42 167
T, 2xB 19 31 144 801
T, L 19 32 153 939
T, B, 2xL 34 60 6696 76986
T, B, 3xL 44 79 84240 1287144
2xT, B, 2xL 40 69 23976 306342
C.2 Análise Estrutural do GAC
À semelhança dos AOR, também o GAC poderá assumir diferentes formatos consoante o
número de elementos da rede. Uma vez que esta RdP depende unicamente do número de
elementos (CNs) da rede e não da sua topologia, as propriedades de uma rede genérica são
facilmente extrapoláveis a partir de uma RdP consideravelmente pequena.
b T- Ligação a transformador, L-Ligação de uma linha, B-Ligação a um barramento (interbarras)
82
Para efeitos de análise considera-se uma rede com apenas três elementos, CN1, CN2 e
CN3, não sendo utilizados os autómatos modeladores de cada um. A RdP resultante
encontra-se ilustrada na Figura 4.6, e a verificação das suas propriedades e computação de
invariantes-P/T na Tabela C.4 e Tabela C.5.
A evoluão da complexidade do GAC com o número de elementos pertencentes à rede
encontra-se Tabela C.5.
Tabela C.4 - Propriedades estruturais do GAC
Invariantes de Lugar
1) {1.1.REC} {1.2.REC} {1.3.REC} {CP1.END} {CP1.REC}
2) {1.1.REC} {1.CP1} {1.CP1C} {1.CP1U} {1.CTRL}
3) {2.2.REC} {2.3.REC} {CP2.END} {CP2.REC}
4) {1.2.REC} {2.2.REC} {2.CP1} {2.CP1C} {2.CP1U} {2.CP2} {2.CP2C} {2.CP2U} {2.CTRL}
5) {3.3.REC} {CP3.END} {CP3.REC}
6) {1.3.REC} {2.3.REC} {3.3.REC} {3.CP1} {3.CP1C} {3.CP1U} {3.CP2} {3.CP2C} {3.CP2U} {3.CP3} {3.CP3C} {3.CP3U} {3.CTRL}
Invariantes de Transições
1. {1.1.f} {1.1.rec} 2. {1.2.f} {1.2.rec} 3. {1.3.f} {1.3.rec} 4. {1.1.ret} {1.cp1} {1.cp1s} 5. {1.cp1} {1.cp1f} {1.cp1s} {1.cpn1} 6. {2.2.f} {2.2.rec} 7. {2.3.f} {2.3.rec} 8. {1.2.ret} {2.cp1} {2.cp1s} 9. {2.cp1} {2.cp1f} {2.cp1s} {2.cpn1} 10. {2.2.ret} {2.cp2} {2.cp2s} 11. {2.cp2} {2.cp2f} {2.cp2s} {2.cpn2} 12. {3.3.f} {3.3.rec}
13. {1.3.ret} {3.cp1} {3.cp1s} 14. {3.cp1} {3.cp1f} {3.cp1s} {3.cpn1} 15. {2.3.ret} {3.cp2} {3.cp2s} 16. {3.cp2} {3.cp2f} {3.cp2s} {3.cpn2} 17. {3.3.ret} {3.cp3} {3.cp3s} 18. {3.cp3} {3.cp3f} {3.cp3s} {3.cpn3} 19. {1.3.rec} {1.3.s} {cp1.rec} 20. {1.2.rec} {1.2.s} {cp1.rec} 21. {1.1.rec} {1.1.s} {cp1.rec} 22. {2.3.rec} {2.3.s} {cp2.rec} 23. {2.2.rec} {2.2.s} {cp2.rec} 24. {3.3.rec} {3.3.s} {cp3.rec}
Tabela C.5 – Evolução das propriedades dinâmicas do GAC
N.º Nós Rede de Petri Análise de Acessibilidade Propriedades Dinâmicas
P T Estados Transições Limitada Viva Reversível
1 7 9 9 16
2 18 26 143 537
3c 33 51 3257 18388
4 52 84 96611 737589
5 75 125 - -
6 102 174 - -
7 133 231 - -
c Rede para a qual foi efetuada a análise estrutural apresentada na Tabela C.4.
83
C.3 Análise Estrutural do Automatismo de Auto-Cicatrização
A análise estrutural da RdP do automatismo completo de Auto-Cicatrização, foi efetuado
tendo por base uma rede constituída por dois barramentos, dois transformadores e uma linha
de interligação entre os dois barramentos (Figura C.3). Deste modo, é possível incorporar
todos os módulos existentes, sem aumentar excessivamente a complexidade total do
automatismo.
Figura C.3 – Análise estrutural do automatismo de Auto-Cicatrização: Topologia
Na Tabela C.6, encontram-se todos os automatismos e autómatos utilizados para a
construção da RdP completa. Na Figura C.4 e na Figura C.5 encontra-se a RdP completa do
automatismo. De modo a reduzir a complexidade e melhorar a percepção da rede, na
primeira figura representam-se apenas as ligações entre autómatos e automatismos, e na
segunda figura encontram-se as ligações entre os AOR e o GAC.
Tabela C.6 - Autómatos e Automatismos incluídos na RdP completa
Autómatos Modeladores e Automatismos
Elemento Designação Elemento Designação
Transformador 1 Autómato 1.T AOR CN1 1.AOR
Transformador 2 Autómato 2.B AOR CN2 2.AOR
Barramento CN1 Autómato 1.B AOR CN3 3.AOR
Barramento CN2 Autómato 2.B GAC GAC
Linha MT CN3 Autómato 3.L
A verificação das propriedades desta rede, bem como a computação dos invariantes de
lugares e transições encontra-se na Tabela C.7.
84
Tabela C.7 - Propriedades dinâmicas e estruturais da RdP
Propriedades da RdP do AOR
P T Estados Transições Limitada Viva Reversível
74 112 125028 1058100
Invariantes de Lugar
1. {1.1.RT1} {1.1.RT2} {1.1.RT3} {1.T1} {1.T2} {1.T3}
2. {2.2.RT1} {2.2.RT2} {2.2.RT3} {2.T1} {2.T2} {2.T3}
3. {1.1-3.RL1} {1.1-3.RL2} {1.1-3.RL3} {1.1.RT1} {1.1.RT2} {1.1.RT3} {1.AOR.FAIL} {1.AOR.SUC} {1.B1}
{1.B2} {1.B3} {1.CP1} {1.CP1C} {1.CP1U} {1.RECA} {2.2-3.RL1} {2.2-3.RL2} {2.2-3.RL3} {3.3-1.RB1}
{3.3-1.RB2}
4. {1.1.REC} {1.B1} {1.B2} {1.B3} {1.CP1} {1.CP1C} {1.CP1U} {2.2-3.RL1} {2.2-3.RL2} {2.2-3.RL3} {3.3-
1.RB1} {3.3-1.RB2}
5. {1.1-3.RL1} {1.1-3.RL2} {1.1-3.RL3} {1.1.RT1} {1.1.RT2} {1.1.RT3} {1.AOR.FAIL} {1.AOR.SUC} {1.CP1}
{1.CP1C} {1.CP1U} {1.CTRL} {1.RECA}
6. {1.1.REC} {1.CP1} {1.CP1C} {1.CP1U} {1.CTRL}
7. {1.1-3.RL1} {1.1-3.RL2} {1.1-3.RL3} {2.2-3.RL1} {2.2-3.RL2} {2.2-3.RL3} {2.2.RT1} {2.2.RT2} {2.2.RT3}
{2.AOR.FAIL} {2.AOR.SUC} {2.B1} {2.B2} {2.B3} {2.CP1} {2.CP1C} {2.CP1U} {2.CP2} {2.CP2C}
{2.CP2U} {2.RECA} {3.3-2.RB1} {3.3-2.RB2}
8. {2.2-3.RL1} {2.2-3.RL2} {2.2-3.RL3} {2.2.RT1} {2.2.RT2} {2.2.RT3} {2.AOR.FAIL} {2.AOR.SUC} {2.CP1}
{2.CP1C} {2.CP1U} {2.CP2} {2.CP2C} {2.CP2U} {2.CTRL} {2.RECA}
9. {1.1-3.RL1} {1.1-3.RL2} {1.1-3.RL3} {1.1.RT1} {1.1.RT2} {1.1.RT3} {1.2.REC} {1.3.REC} {1.AOR.FAIL}
{1.AOR.SUC} {1.RECA} {CP1.END} {CP1.REC}
10. {1.1.REC} {1.2.REC} {1.3.REC} {CP1.END} {CP1.REC}
11. {1.1-3.RL1} {1.1-3.RL2} {1.1-3.RL3} {2.2-3.RL1} {2.2-3.RL2} {2.2-3.RL3} {3.3-1.RB1} {3.3-1.RB2} {3.3-
2.RB1} {3.3-2.RB2} {3.AOR.FAIL} {3.AOR.SUC} {3.CP1} {3.CP1C} {3.CP1U} {3.CP2} {3.CP2C}
{3.CP2U} {3.CP3} {3.CP3C} {3.CP3U} {3.L1} {3.L2} {3.L3} {3.L4} {3.RECA}
12. {3.3-1.RB1} {3.3-1.RB2} {3.3-2.RB1} {3.3-2.RB2} {3.AOR.FAIL} {3.AOR.SUC} {3.CP1} {3.CP1C} {3.CP1U}
{3.CP2} {3.CP2C} {3.CP2U} {3.CP3} {3.CP3C} {3.CP3U} {3.CTRL} {3.RECA}
13. {1.1-3.RL1} {1.1-3.RL2} {1.1-3.RL3} {1.2.REC} {2.2.REC} {2.B1} {2.B2} {2.B3} {2.CP1} {2.CP1C} {2.CP1U}
{2.CP2} {2.CP2C} {2.CP2U} {3.3-2.RB1} {3.3-2.RB2}
14. {1.2.REC} {2.2.REC} {2.CP1} {2.CP1C} {2.CP1U} {2.CP2} {2.CP2C} {2.CP2U} {2.CTRL}
15. {1.1-3.RL1} {1.1-3.RL2} {1.1-3.RL3} {1.1.RT1} {1.1.RT2} {1.1.RT3} {1.3.REC} {1.AOR.FAIL} {1.AOR.SUC}
{1.RECA} {2.2-3.RL1} {2.2-3.RL2} {2.2-3.RL3} {2.2.RT1} {2.2.RT2} {2.2.RT3} {2.3.REC} {2.AOR.FAIL}
{2.AOR.SUC} {2.RECA} {CP1.END} {CP1.REC} {CP2.END} {CP2.REC}
16. {1.1.REC} {1.3.REC} {2.2-3.RL1} {2.2-3.RL2} {2.2-3.RL3} {2.2.RT1} {2.2.RT2} {2.2.RT3} {2.3.REC}
{2.AOR.FAIL} {2.AOR.SUC} {2.RECA} {CP1.END} {CP1.REC} {CP2.END} {CP2.REC}
17. {2.2.REC} {2.3.REC} {CP2.END} {CP2.REC}
18. {1.1-3.RL1} {1.1-3.RL2} {1.1-3.RL3} {1.3.REC} {2.2-3.RL1} {2.2-3.RL2} {2.2-3.RL3} {2.3.REC} {3.3.REC}
{3.CP1} {3.CP1C} {3.CP1U} {3.CP2} {3.CP2C} {3.CP2U} {3.CP3} {3.CP3C} {3.CP3U} {3.L1} {3.L2} {3.L3}
{3.L4}
19. {1.3.REC} {2.3.REC} {3.3.REC} {3.CP1} {3.CP1C} {3.CP1U} {3.CP2} {3.CP2C} {3.CP2U} {3.CP3} {3.CP3C}
{3.CP3U} {3.CTRL}
20. {1.1-3.RL1} {1.1-3.RL2} {1.1-3.RL3} {1.1.RT1} {1.1.RT2} {1.1.RT3} {1.2.REC} {1.AOR.FAIL} {1.AOR.SUC}
{1.RECA} {2.2.REC} {3.3-1.RB1} {3.3-1.RB2} {3.3-2.RB1} {3.3-2.RB2} {3.AOR.FAIL} {3.AOR.SUC}
{3.RECA} {CP1.END} {CP1.REC} {CP2.END} {CP2.REC} {CP3.END} {CP3.REC}
21. {1.1.REC} {1.2.REC} {2.2.REC} {3.3-1.RB1} {3.3-1.RB2} {3.3-2.RB1} {3.3-2.RB2} {3.AOR.FAIL}
{3.AOR.SUC} {3.RECA} {CP1.END} {CP1.REC} {CP2.END} {CP2.REC} {CP3.END} {CP3.REC}
22. {1.1-3.RL1} {1.1-3.RL2} {1.1-3.RL3} {1.1.RT1} {1.1.RT2} {1.1.RT3} {1.AOR.FAIL} {1.AOR.SUC}
{1.RECA} {2.2-3.RL1} {2.2-3.RL2} {2.2-3.RL3} {2.2.RT1} {2.2.RT2} {2.2.RT3} {2.AOR.FAIL}
{2.AOR.SUC} {2.RECA} {3.3-1.RB1} {3.3-1.RB2} {3.3-2.RB1} {3.3-2.RB2} {3.AOR.FAIL} {3.AOR.SUC}
{3.RECA} {CP1.END} {CP1.REC} {CP2.END} {CP2.REC} {CP3.END} {CP3.REC}
23. {1.1.REC} {2.2-3.RL1} {2.2-3.RL2} {2.2-3.RL3} {2.2.RT1} {2.2.RT2} {2.2.RT3} {2.AOR.FAIL} {2.AOR.SUC}
{2.RECA} {3.3-1.RB1} {3.3-1.RB2} {3.3-2.RB1} {3.3-2.RB2} {3.AOR.FAIL} {3.AOR.SUC} {3.RECA}
{CP1.END} {CP1.REC} {CP2.END} {CP2.REC} {CP3.END} {CP3.REC}
24. {3.3.REC} {CP3.END} {CP3.REC}
85
Invariantes de Transições
1. {1.1.f} {1.1.rec} {1.rec2} 2. {1.cp1} {1.cp1f} {1.cp1s} {1.cpn1} 3. {1.t1} {1.t2} 4. {1.1.f} {1.1.rec} {1.1.rt1} {1.1.rt3} {1.1.rt5} {1.t1}
{1.t4} 5. {1.t3} {1.t4} 6. {2.t1} {2.t2} 7. {2.t3} {2.t4} 8. {1.1.rec} {1.1.rt1} {1.1.rt2} {1.1.rt4} {1.1.s}
{1.t4} {cp1.rec} 9. {1.1.rec} {1.1.s} {1.rec1} {cp1.rec} 10. {1.b1} {1.b2} 11. {1.1.ret} {1.b2} {1.b5} {1.cp1} {1.cp1s} 12. {1.b2} {1.b3} {1.b5} 13. {1.1.ret} {1.b4} {1.cp1} {1.cp1s} 14. {1.b3} {1.b4} 15. {2.2.f} {2.2.rec} {2.2.rt1} {2.2.rt3} {2.2.rt5} {2.t1}
{2.t4} 16. {1.2.f} {1.2.rec} {2.2.rt1} {2.2.rt3} {2.2.rt5} {2.t1}
{2.t4} 17. {2.2.f} {2.2.rec} {2.rec2} 18. {1.2.f} {1.2.rec} {2.rec2} 19. {2.2.rec} {2.2.rt1} {2.2.rt2} {2.2.rt4} {2.2.s}
{2.t4} {cp2.rec} 20. {1.2.rec} {1.2.s} {2.2.rt1} {2.2.rt2} {2.2.rt4}
{2.t4} {cp1.rec} 21. {2.2.rec} {2.2.s} {2.rec1} {cp2.rec} 22. {1.2.rec} {1.2.s} {2.rec1} {cp1.rec} 23. {2.b1} {2.b2} 24. {2.cp1} {2.cp1f} {2.cp1s} {2.cpn1} 25. {2.cp2} {2.cp2f} {2.cp2s} {2.cpn2} 26. {2.2.ret} {2.b2} {2.b5} {2.cp2} {2.cp2s} 27. {2.2.ret} {2.b4} {2.cp2} {2.cp2s} 28. {1.2.ret} {2.b2} {2.b5} {2.cp1} {2.cp1s} 29. {1.2.ret} {2.b4} {2.cp1} {2.cp1s} 30. {2.b2} {2.b3} {2.b5} 31. {2.b3} {2.b4} 32. {3.cp1} {3.cp1f} {3.cp1s} {3.cpn1} 33. {3.cp2} {3.cp2f} {3.cp2s} {3.cpn2} 34. {3.cp3} {3.cp3f} {3.cp3s} {3.cpn3} 35. {3.3.ret} {3.cp3} {3.cp3s} {3.l3} 36. {2.3.ret} {3.cp2} {3.cp2s} {3.l3} 37. {1.3.ret} {3.cp1} {3.cp1s} {3.l3} 38. {3.l3} {3.l4} 39. {3.l1} {3.l2}
40. {2.2-3.rl1} {2.2-3.rl2} {2.2-3.rl4} {2.2.rec} {2.2.s} {3.l2} {3.l7} {cp2.rec}
41. {1.2.rec} {1.2.s} {2.2-3.rl1} {2.2-3.rl2} {2.2-3.rl4} {3.l2} {3.l7} {cp1.rec}
42. {1.1-3.rl1} {1.1-3.rl2} {1.1-3.rl4} {1.1.rec} {1.1.s} {3.l2} {3.l7} {cp1.rec}
43. {3.l2} {3.l7} {3.l9} 44. {2.2-3.rl1} {2.2-3.rl3} {2.2-3.rl5} {2.2.f} {2.2.rec}
{3.l7} 45. {1.2.f} {1.2.rec} {2.2-3.rl1} {2.2-3.rl3} {2.2-3.rl5}
{3.l7} 46. {1.1-3.rl1} {1.1-3.rl3} {1.1-3.rl5} {1.1.f} {1.1.rec}
{3.l7} 47. {3.l7} {3.l8} 48. {3.l1} {3.l3} {3.l5} 49. {2.3.f} {2.3.rec} {3.3-2.rb1} {3.3-2.rb3} 50. {3.3-2.rb1} {3.3-2.rb3} {3.3.f} {3.3.rec} 51. {1.3.f} {1.3.rec} {3.3-2.rb1} {3.3-2.rb3} 52. {2.3.f} {2.3.rec} {3.3-1.rb1} {3.3-1.rb3} 53. {3.3-1.rb1} {3.3-1.rb3} {3.3.f} {3.3.rec} 54. {1.3.f} {1.3.rec} {3.3-1.rb1} {3.3-1.rb3} 55. {2.3.f} {2.3.rec} {3.rec2} 56. {3.3.f} {3.3.rec} {3.rec2} 57. {1.3.f} {1.3.rec} {3.rec2} 58. {2.3.rec} {2.3.s} {3.3-2.rb1} {3.3-2.rb2} {3.3-
2.rb4} {cp2.rec} 59. {3.3-2.rb1} {3.3-2.rb2} {3.3-2.rb4} {3.3.rec}
{3.3.s} {cp3.rec} 60. {1.3.rec} {1.3.s} {3.3-2.rb1} {3.3-2.rb2} {3.3-
2.rb4} {cp1.rec} 61. {2.3.rec} {2.3.s} {3.3-1.rb1} {3.3-1.rb2} {3.3-
1.rb4} {cp2.rec} 62. {3.3-1.rb1} {3.3-1.rb2} {3.3-1.rb4} {3.3.rec}
{3.3.s} {cp3.rec} 63. {1.3.rec} {1.3.s} {3.3-1.rb1} {3.3-1.rb2} {3.3-
1.rb4} {cp1.rec} 64. {2.3.rec} {2.3.s} {3.rec1} {cp2.rec} 65. {3.3.rec} {3.3.s} {3.rec1} {cp3.rec} 66. {1.3.rec} {1.3.s} {3.rec1} {cp1.rec} 67. {2.2-3.rl1} {2.2-3.rl3} {2.2-3.rl5} {2.2.f} {2.2.rec}
{3.l1} {3.l3} {3.l6} 68. {1.2.f} {1.2.rec} {2.2-3.rl1} {2.2-3.rl3} {2.2-3.rl5}
{3.l1} {3.l3} {3.l6} 69. {1.1-3.rl1} {1.1-3.rl3} {1.1-3.rl5} {1.1.f} {1.1.rec}
{3.l1} {3.l3} {3.l6} 70. {3.l1} {3.l3} {3.l6} {3.l8} 71. {2.2-3.rl1} {2.2-3.rl2} {2.2-3.rl4} {2.2.rec} {2.2.s}
{3.l3} {3.l5} {3.l7} {cp2.rec} 72. {2.2-3.rl1} {2.2-3.rl2} {2.2-3.rl4} {2.2.rec} {2.2.s}
{3.l3} {3.l6} {cp2.rec} 73. {1.2.rec} {1.2.s} {2.2-3.rl1} {2.2-3.rl2} {2.2-3.rl4}
{3.l3} {3.l5} {3.l7} {cp1.rec} 74. {1.2.rec} {1.2.s} {2.2-3.rl1} {2.2-3.rl2} {2.2-3.rl4}
{3.l3} {3.l6} {cp1.rec} 75. {1.1-3.rl1} {1.1-3.rl2} {1.1-3.rl4} {1.1.rec} {1.1.s}
{3.l3} {3.l5} {3.l7} {cp1.rec} 76. {1.1-3.rl1} {1.1-3.rl2} {1.1-3.rl4} {1.1.rec} {1.1.s}
{3.l3} {3.l6} {cp1.rec} 77. {3.l3} {3.l5} {3.l7} {3.l9} 78. {3.l3} {3.l6} {3.l9}
86
Figura C.4 - Automatismo de Auto-Cicatrização de Redes MT (parte 1 de 2)
87
Figura C.5 - Automatismo de Auto-Cicatrização de Redes MT (parte 2 de 2)
